有关换热器的强度和传热速率的计算。
參考答案:热网换热器的主要作用是利用汽轮机做功后的蒸汽加热供暖用的循环水，从而使蒸汽冷却后变成水再回用。现行使用的热网换热器一般都采用管壳式结构，常用的换热管为冷拔钢管。由于热网系统中的循环水只经过简单的软化和过滤处理，所以极易在换热器的换热管内壁结垢，这样就大大降低了传热效率，通常半年至一年设备就要清理一次。用波纹换热管制造热网换热器，极大地改善了管内结垢状况，经实际运行使用，效果良好。
1 用波纹管制造热网换热器的依据
1.1 流体在管子内外的流动状态对两侧流体之间传热的影响
1.1.1 流体在管子内的流动型态
通常当流体在管内流动时可分为层流、湍流和过渡流三种流动状态。每种流动状态都会在靠近管壁处形成边界层（边界层又分为层流、湍流、过渡流三种流动状态）。这是因为流体具有粘滞性、润湿性的结果，即使是湍流边界层，在靠近管壁面仍存在一极薄的滞流内层，此层内流体的流动仍为层流。
1.1.2 流体在换热器管间的流动状况
通常采用的列管式换热器都带有折流挡板，流体在管间流动时，流向和流速均不断变化，因而在Re(雷诺准数)>100时即可能达到湍流，所以一般按湍流考虑。
1.1.3 无相变的流体在管子内外的传热情况
在管两侧紧贴壁面的滞流内层中，沿壁面的法线方向上没有对流传热，该方向上热量的传递仅为流体的热传导。由于流体的导热系数较低，使滞流内层中的导热热阻就很大。假设管壁两侧的流体为湍流流动，在管壁两侧的湍流主体中，因流体质点剧烈混合并充满旋涡，所以湍流主体中的温度差（温度梯度）极小，各处温度基本相同。在湍流主体和滞流内层之间的缓冲层中，热传导和对流传热均起作用，在该层内温度发生缓慢的变化。如图1所示。若管壁两侧的流体为层流流动，则在层流主体中，沿壁面的法线方向上的热量传递只是流体的热传导，详情可参考滞流内层中的传热情况。
图1
从以上分析可知，对流传热的热阻主要集中在滞流内层中，因此减薄滞流内层的厚度是强化对流传热的重要途径。
1.1.4 波纹管内外两侧流体（外侧的流体有相变）之间的传热分析。
在波纹管内侧，当流体由缩径处进入扩径处时会发生边界层分离现象，此时在扩径处产生流体空白区，一部分流体会倒流回来填充空白区，这样在扩径腔内产生流向相反的两种流体，即而形成旋涡，如图2所示。由于旋涡的存在，加剧了流体质点之间的碰撞，极大地破坏了边界层和滞流内层，使其厚度减薄，减少了滞流内层的热阻，同时减轻了污垢在管内壁的沉积，这样就大大地提高了内侧的对流传热系数。
图2
在波纹管外侧，由于波纹管表面的凸起和凹陷改变了冷凝液膜的薄厚分布，如图3所示。在扩径处外部液膜厚度极薄，此处对流传热系数远远大于光滑管外部凝结时的对流传热系数，在缩径处外部液膜厚度较厚，该处对流传热系数较光滑管外部凝结时的对流传热系数略小一些，不过总的平均对流传热系数比光滑管大得多。
图3
1.2 换热器总传热系数K0值的计算及其影响因素
以管子外壁为基准的列管换热器的总传热系数K0值按如下公式计算
Ko为总传热系 W/(m2.℃)
ai为管内侧的对流传热系数数 W/(m2.℃)
a0为管内侧的对流传热系数数 W/(m2.℃)m2。
b为管壁厚度℃ m
di为管内径 m
do为管外径 m
dm为管中径 m
Rsi为管内侧的污垢热阻 m2.℃/W
Rso为管外侧的污垢热 m2.℃/W
λ为管子导热系数 W/(m2.℃)
一般(管壁热阻)较小，Rso(蒸汽侧污垢热阻)也不大，这两项对Ko值的影响不明显，因此ai、ao、Rsi是决定Ko值的主要因素。当ai、ao增大Rsi减小时Ko值增大，反之Ko值则减小。
对于波纹管式换热器，ai、ao较大，Rsi很小，可使波纹管换热器总传热系数Ko为光滑管换热器Ko的两倍多。
1.3 总传热系数Ko对换热器传热速率的影响
换热器的传热速率可用如下公式计算
Q=KoSo△tm
Q为传热速 W
K0率为总传热系数（以管外壁为基准） W/(m2.℃)m2
So为传热面积（以管外壁为基准) m2
当△tm不变（冷热流体进出口温度不变）、So也不变时，Q与Ko成正比。
对于波纹管式换热器，在△tm、So相同的情况下，传热速率比光滑管换热器的传热速率大一倍多，即换热器的处理量增大一倍多。
2 波纹管式热网换热器的设计
2.1 管壳式热网换热器的型式选择
采用浮头式结构，可有效地消除管子与壳体之间的温差应力，还可以利用原换热器的壳体和上下管箱部分。如图4所示。
1.上管箱2.壳体3.管系4.下管箱5.浮头盖
图4
2.2 热网换热器波纹管型式的选取
用于热网换热器的波纹管主要有两种型式。如图5、图6所示。
图5
图6
图5中的波纹管具有穿管容易、更换管方便的优点，有利于设备的检修。图6中的波纹管具有排管间距小的优点，在保证设备传热面积不变的情况下，可使设备体积减小、重量减轻从而降低制造成本。本设计因排管空间所限，故采用图6型式。
2.3 波纹管折流板(兼支撑板）形式的选择
本加热器采用单弓形折流板并兼支撑板。
支撑板的厚度一定要大于波纹管的波距，否则当支撑板处在波纹管缩径处时，如图7,会因管子与孔之间间隙过大而出现管子振颤现象，影响设备使用寿命。为此折流板可设计成如下三种形式，如图8、图9、图10.
图7
图8
图9
图10
图8中的折流板制造容易，但由于板整体加厚使得重量较大。图9、图10中的折流板重量较轻，但加工制造较复杂。
为减轻设备重量，本设计的折流板采用图10所示的形式。
2.4 换热管与管板的连接形式的选择
本设计采用强度胀加密封焊的连接形式，胀管长度为50mm,胀管率为7%,并在管孔中开两道宽3mm,深0.6的槽，焊接方法为氩弧焊，方式为自熔。
2.5 换热器管架结构的设计
采用若干短槽钢与折流板间用螺栓连接形式，增强了管架的总体刚性。如图4中所示。
3 结论
1.波纹管换热器比光滑管换热器具有更高的传热系数。
2.波纹管换热器具有不易在管壁结垢的优点。
3.波纹管换热器比原换热器重量轻、成本低。目前，我们研制的波纹管式热网换热器已在内蒙古伊敏电厂投入使用，运行良好。
