螺旋折流板管束结构设计及板尺寸计算
国德文
摘要：本文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。
关键词：螺旋折流板；管束；结构设计；计算
Structure design for tube Bundle of spiral baffle and the calculation of the baffle imension
Guo De-wen
Abstract: In this article，geometric form of spiral baffle，structure patterns for tube Bundle of spiral baffle tubular heat exchanger and its design method are introduced. It were shown that the curve rim of the spiral baffle formed a ellipse curve and the methods of calculation are given that geometry dimensions of spiral baffle.
Key words: spiral baffle；tube bundle；stucture design ；calculation
进入本世纪以来，国内采用一种新型高效螺旋折流板换热器的企业逐渐增多。我厂设计室也经常采用螺旋折流板来设计管壳式换热器。本文对螺旋折流板管束的结构设计进行了探讨。
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（如图一）。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四分之一圆面。
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，我们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（如图二）。
图一 螺旋折流板三视图
图二 壳体内螺旋折流板排列示意图
2 螺旋折流板间距
螺旋折流板布置应使壳程内介质的螺
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
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（如图三）。
图三 进出口处螺旋折流板排列图
从图中可以看出，在一个螺旋节距H（波长）长度上四象限轴向等距依次安装4个螺旋折流板，环绕壳程轴线位置的一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的整数倍加二分之一H，折流板间距F等于四分之一节距H。
3 拉杆及定距管
拉杆直径和数量应按GB/T 151-2014《热交换器》的有关规定，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（如图四）。
图四 螺旋折流板拉杆孔位置示意图
根据安装位置的不同，定距管的结构一般分两种（如图五），图中α为螺旋折流板的安装角α。
图五 定距管结构示意图
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，分两层布置（如图六）。
图六 防冲杆排列示意图
防冲杆的上表面到壳体内壁的距离应大于四分之一接管外径，其排列后的防冲面应为接管外径加50毫米的方形。 5 螺旋折流板的尺寸计算公式
螺旋折流板的形状类似扇形，由一个等腰三角形和一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一个等腰三角形和一个弓形组成扇形（如图七），即1/4圆面。
图七 螺旋折流板在壳体横截面上的投影示意图
当螺旋折流板安装倾角为α时，其椭圆曲线边为一个椭圆的一部分，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（如图八）。
图八 螺旋折流板在壳体内安装方位示意图
螺旋折流板尺寸可由该椭圆所确定的
椭圆方程求得（如图九）。
图九 螺旋折流板在椭圆上位置坐标示意图
从图中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；其中弦高A按下式计算：
A=Rcos45° (1)
椭圆长轴2P按下式计算：
2P=2R/cosα
即 P=R/cosα (2)
椭圆方程为： Z22P2?YR2?1 (3)
式中P为椭圆长半轴长度（mm）；R为
圆柱体半径（mm）,即椭圆短半轴长度；α为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）的数值可按公式(2)计算得出。
当Y1=A时，可以得出此时的Z1值：
Z1?P2(1?A2/R2)(mm)........(4)则螺旋折流板的弦长C为：
C?2Z1?2P2(1?A2/R2)(mm)......(5)螺旋折流板的边长S为：
S?A2?(C/2)2(mm)........(6)螺旋折流板的扇形角β为：
β=2arcsin（C/2S） (7)
6 结束语
与弓形换热器管束相比，螺旋折流板换热器管束在设计时需采用新结构，以发挥其降低介质流动阻力、增加传热效率和减震等优点，更好地满足生产要求。本计算公式可供螺旋折流板换热器设计时使用。
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] GB/T151-2014《热交换器》[S].2015.03.中国标准出版社出版
[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.