螺旋折流板换热器管束及管板的结构设计
摘要：文中介绍了螺旋折流板的几何形状及螺旋折流板换热器管束的结构型式，并据此说明了螺旋折流板换热器管束的设计方法。通过图示证明螺旋折流板的曲线边是一条椭圆曲线，给出螺旋折流板几何尺寸的计算方法。
近年来，国内采用新型高效螺旋折流板换热器的企业逐渐增多。大庆石油化工机械厂也经常采用螺旋折流板来设计管壳式换热器。文中对螺旋折流板管束的结构设计［１］进行了探讨。
１ 螺旋折流板的几何形状
螺旋折流板换热器的折流板为准扇形。与壳体横截面有一定的安装倾角α，其在壳体横截面上的投影刚好为１／４圆面。见图 １。
根据折流板间距所需要的若干个螺旋折流板与管束轴线以某一角度呈连续螺旋状排列，这种排列须保证介质自壳程进口向出口呈螺旋状推进，避免了采用弓形折流板时，介质以“Ｚ”字形流动剧烈折返带来的严重压降。管壳式换热器采用螺旋折流板是基于这样一种思想：通过改变壳程侧折流板的布置，使壳程侧流体呈连续螺旋流动，因此，理想的折流板布置应该为连续的螺旋曲面。但是，螺旋曲面加工困难，而且换热管与折流板的配合很难实现。考虑到加工上的方便，采用一系列的准扇形平面板（称之为螺旋折流板）替代曲面相间连接， 在壳程侧形成近似的螺旋面，使换热器的壳程侧流体产生连续的螺旋状流动，见图 ２。
２ 螺旋折流板间距
螺旋折流板布置应使壳程内介质的螺旋状流场稳定，这就要求螺旋折流板之间有一致的间隔称为折流板间距Ｆ），相同的安装角α，一般还应要求：螺旋折流板应布置在上方进出口轴线的下方或下方进出口轴线的上方，见图 ３。
从图３可以看出，在１个螺旋节距 Ｈ（波长）长度上等距依次安装４个螺旋折流板，环绕壳程轴线位置的１根与换热管规格相同的中心管，用定距管定位，形成螺旋状。壳程进出口间距为Ｈ的整数倍加１／２Ｈ，折流板间距 Ｆ 为 １／４Ｈ。
３ 拉杆及定距管
拉杆直径和数量应按 ＧＢ１５１－１９９９《管壳式换热器》的有关规定［２］，但为保证螺旋折流板的稳定，每块螺旋折流板上最少应布置３根拉杆，螺旋折流板的中心安装部位须加工与中心管相配的圆弧缺口，见图４。
根据安装位置的不同，定距管的结构一般分 ２种，具体结构见图 ５。
４ 壳程进口处的防冲结构
在壳程进口处，为保证介质流束均匀
，螺旋折流板换热器管束一般采用防冲杆结构，防冲杆直径为Φ１６的钢棒，分２层布置，见图 ６。
防冲杆的上表面到壳体内壁的距离应大于１／４ 接管外径， 其排列后的防冲面应为接管外径加５０ ｍｍ 的方形。
５ 螺旋折流板的设计
螺旋折流板的形状类似扇形，由１个等腰三角形和１个椭圆曲线边的弓形组成，其安装后在壳体横截面上的投影为由１个等腰三角形和１个弓形组成扇形，即１／４圆面，见图７。
当螺旋折流板安装倾角为α时，其椭圆曲线边为１个椭圆的１部分，该椭圆由以与壳体横截面夹角为α的平面切割圆柱体而得到，见图 ８。
螺旋折流板尺寸可由该椭圆所确定的椭圆方程求得，见图 ９。
从图 ９ 可以看出，螺旋折流板尺寸参数Ａ、Ｒ与其投影图上对应尺寸参数相等。弦高Ａ的计算公式［３］为：
Ａ＝Ｒｃｏｓ４５°
椭圆长轴的计算公式为：
Ｐ＝Ｒ／ｃｏｓα
椭圆方程为：
Ｚ２／Ｐ２＋Ｙ２／Ｒ２＝１
式中 Ｐ—椭圆长半轴长度， ｍｍ； Ｒ—圆柱体半径（即椭圆短半轴长度）， ｍｍ； α—螺旋折流板安装倾角。
螺旋折流板椭圆曲线边上任意点（ Ｚ１， Ｙ１） 的数值可以计算得出。
当 Ｙ１＝Ａ 时， 可以得出此时的 Ｚ１ 值：
则螺旋折流板的弦长 Ｃ 的计算公式为：
螺旋折流板的边长 Ｓ 的计算公式为：
螺旋折流板的扇形角 β的计算公式为：
β＝２ａｒｃｓｉｎ（ Ｃ／２Ｓ）
６ 结束语
螺旋折流板换热器管束在设计时需采用新结构，与弓形换热器管束相比， 具有诸多优点，特别是它能够有效地降低介质流动阻力、增加传热效率和减震等优点，因此具有广阔的应用前景。
参考文献：
［１］ 潘镇，陈保东，商丽艳．螺旋折流板换热器的研究与进展［ Ｊ］．节能技术， ２００６， ２４（１）： ８１－ ８５．
［２］ 化工设备标准化委员会．ＧＢ１５１－ １９９９ 管壳式换热器［ Ｓ］ ．北京： 中国标准出版社， ２００３．
［３］ 李久生，刘莉．螺旋折流板的结构特点及板片尺寸计算［ Ｊ］ ．石油化工设备，２００６，３５（５）：４０－４１．
