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換熱器的強度和傳熱速率的計算

換熱器的主要作用是利用汽輪機做功后的蒸汽加熱供暖用的循環水，從而使蒸汽冷卻后變成水再回用。現行使用的熱網換熱器一般都采用管殼式結構，常用的換熱管為冷拔鋼管。由于熱網系統中的循環水只經過簡單的軟化和過濾處理，所以極易在換熱器的換熱管內壁結垢，這樣就大大降低了傳熱效率，通常半年至一年設備就要清理一次。用波紋換熱管制造熱網換熱器，極大地改善了管內結垢狀況，經實際運行使用，效果良好。

1 用波紋管制造熱網換熱器的依據
1.1 流體在管子內外的流動狀態對兩側流體之間傳熱的影響
1.1.1 流體在管子內的流動型態
  通常當流體在管內流動時可分為層流、湍流和過渡流三種流動狀態。每種流動狀態都會在靠近管壁處形成邊界層（邊界層又分為層流、湍流、過渡流三種流動狀態）。這是因為流體具有粘滯性、潤濕性的結果，即使是湍流邊界層，在靠近管壁面仍存在一極薄的滯流內層，此層內流體的流動仍為層流。
1.1.2 流體在換熱器管間的流動狀況
  通常采用的列管式換熱器都帶有折流擋板，流體在管間流動時，流向和流速均不斷變化，因而在Re(雷諾準數)> 100時即可能(推薦：太陽能)達到湍流，所以一般按湍流考慮。
1.1.3 無相變的流體在管子內外的傳熱情況
  在管兩側緊貼壁面的滯流內層中，沿壁面的法線方向上沒有對流傳熱，該方向上熱量的傳遞僅為流體的熱傳導。由于流體的導熱系數較低，使滯流內層中的導熱熱阻就很大。假設管壁兩側的流體為湍流流動，在管壁兩側的湍流主體中，因流體質點劇烈混合并充滿旋渦，所以湍流主體中的溫度差（溫度梯度）極小，各處溫度基本相同。在湍流主體和滯流內層之間的緩沖層中，熱傳導和對流傳熱均起作用，在該層內溫度發生緩慢的變化。如圖1所示。若管壁兩側的流體為層流流動，則在層流主體中，沿壁面的法線方向上的熱量傳遞只是流體的熱傳導，詳情可參考滯流內層中的傳熱情況。

從以上分析可知，對流傳熱的熱阻主要集中在滯流內層中，因此減薄滯流內層的厚度是強化對流傳熱的重要途徑。
1.1.4 波紋管內外兩側流體（外側的流體有相變）之間的傳熱分析。
  在波紋管內側，當流體由縮徑處進入擴徑處時會發生邊界層分離現象，此時在擴徑處產生流體空白區，一部分流體會倒流回來填充空白區，這樣在擴徑腔內產生流向相反的兩種流體，即而形成旋渦，如圖2所示。由于旋渦的存在，加劇了流體質點之間的碰撞，極大地破壞了邊界層和滯流內層，使其厚度減薄，減少了滯流內層的熱阻，同時減輕了污垢在管內壁的沉積，這樣就大大地提高了內側的對流傳熱系數。
在波紋管外側，由于波紋管表面的凸起和凹陷改變了冷凝液膜的薄厚分布，如圖3所示。在擴徑處外部液膜厚度極薄，此處對流傳熱系數遠遠大于光滑管外部凝結時的對流傳熱系數，在縮徑處外部液膜厚度較厚，該處對流傳熱系數較光滑管外部凝結時的對流傳熱系數略小一些，不過總的平均對流傳熱系數比光滑管大得多。
1.2 換熱器總傳熱系數K0值的計算及其影響因素
  以管子外壁為基準的列管換熱器的總傳熱系數K0值按如下公式計算

  Ko為總傳熱系 W/(m2.℃)
  ai為管內側的對流傳熱系數數 W/(m2.℃)
  a0為管內側的對流傳熱系數數 W/(m2.℃)m2。
  b為管壁厚度℃  m
  di為管內徑  m
  do為管外徑  m
  dm為管中徑  m
  Rsi為管內側的污垢熱阻  m2.℃/W
  Rso為管外側的污垢熱  m2.℃/W
λ為管子導熱系數 W/(m2.℃)
  一般(管壁熱阻)較小，Rso(蒸汽側污垢熱阻)也不大，這兩項對Ko值的影響不明顯，因此ai、ao、Rsi是決定Ko值的主要因素。當ai、ao增大Rsi減小時Ko值增大，反之Ko值則減小。
  對于波紋管式換熱器，ai、ao較大，Rsi很小，可使波紋管換熱器總傳熱系數Ko為光滑管換熱器Ko的兩倍多。
1.3 總傳熱系數Ko對換熱器傳熱速率的影響
  換熱器的傳熱速率可用如下公式計算

Q=KoSo△tm

  Q為傳熱速 W
  K0率為總傳熱系數（以管外壁為基準） W/(m2.℃)m2
  So為傳熱面積（以管外壁為基準) m2
  當△tm不變（冷熱流體進出口溫度不變）、So也不變時，Q與Ko成正比。
  對于波紋管式換熱器，在△tm、So相同的情況下，傳熱速率比光滑管換熱器的傳熱速率大一倍多，即換熱器的處理量增大一倍多。

2 波紋管式熱網換熱器的設計
2.1 管殼式熱網換熱器的型式選擇
  采用浮頭式結構，可有效地消除管子與殼體之間的溫差應力，還可以利用原換熱器的殼體和上下管箱部分。如圖4所示。

1.上管箱2.殼體3.管系4.下管箱5.浮頭蓋
2.2 熱網換熱器波紋管型式的選取
  用于熱網換熱器的波紋管主要有兩種型式。如圖5、圖6所示

波紋管具有穿管容易、更換管方便的優點，有利于設備的檢修。圖6中的波紋管具有排管間距小的優點，在保證設備傳熱面積不變的情況下，可使設備體積減小、重量減輕從而降低制造成本。本設計因排管空間所限，故采用圖6型式。
2.3 波紋管折流板(兼支撐板）形式的選擇
  本加熱器采用單弓形折流板并兼支撐板。
  支撐板的厚度一定要大于波紋管的波距，否則當支撐板處在波紋管縮徑處時，如圖7，會因管子與孔之間間隙過大而出現管子振顫現象，影響設備使用壽命。為此折流板可設計成如下三種形式

折流板制造容易，但由于板整體加厚使得重量較大。圖9、圖10中的折流板重量較輕，但加工制造較復雜。
  為減輕設備重量，本設計的折流板采用圖10所示的形式。
2.4 換熱管與管板的連接形式的選擇
  本設計采用強度脹加密封焊的連接形式，脹管長度為50mm，脹管率為7%，并在管孔中開兩道寬3mm，深0.6的槽，焊接方法為氬弧焊，方式為自熔。
2.5 換熱器管架結構的設計
  采用若干短槽鋼與折流板間用螺栓連接形式，增強了管架的總體剛性。如圖4中所示。

3 結論
  1.波紋管換熱器比光滑管換熱器具有更高的傳熱系數。
  2.波紋管換熱器具有不易在管壁結垢的優點。
  3.波紋管換熱器比原換熱器重量輕、成本低。目前，我們研制的波紋管式熱網換熱器已在內蒙古伊敏電廠投入使用，運行良好。

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