管殼式熱交換器折流板設(shè)計(jì)要點(diǎn)探析

羅海榮，張傳齊，郭明河，王芳鈺

(蘭州蘭石重型裝備股份有限公司，甘肅 蘭州 730314)

0 引 言

熱交換器[1]是介質(zhì)間進(jìn)行熱量傳遞的設(shè)備，利用熱介質(zhì)加熱冷介質(zhì)，能夠提高能源的利用率，在化工機(jī)械、石油煉化、制冷等很多領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用，其中管殼式熱交換器約占總量的90%以上，是主要結(jié)構(gòu)形式[2]。管殼式熱交換器的性能與多種幾何結(jié)構(gòu)因素有關(guān)，其中折流板的結(jié)構(gòu)形式就是其中之一。折流板不但可以支撐換熱管，減少換熱管的無支撐跨距，防止流體誘發(fā)振動(dòng)，還可以改變介質(zhì)的流動(dòng)方向，控制合理的流速和壓降，進(jìn)而得到較好的傳熱效果，因此折流板在管殼式熱交換器的傳熱設(shè)計(jì)中占據(jù)重要位置。針對(duì)折流板結(jié)構(gòu)，近年來行業(yè)人士進(jìn)行了很多研究和探討[3-6]，在提高熱交換器換熱效率和改善換熱性能方面發(fā)揮了積極作用。折流板的結(jié)構(gòu)形式不同，對(duì)管殼式熱交換器性能的影響也各不相同，結(jié)合實(shí)際工作經(jīng)驗(yàn)積累，概括總結(jié)了常用的幾種折流板結(jié)構(gòu)形式的特點(diǎn)，為廣大技術(shù)人員提供了技術(shù)幫助。

1 折流板的結(jié)構(gòu)形式

管殼式熱交換器折流板的結(jié)構(gòu)形式多種多樣，常見的有：弓形折流板、折流桿結(jié)構(gòu)、螺旋折流板。

1.1 弓形折流板

弓形折流板在熱交換器中應(yīng)用最為普遍，是多數(shù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范中推薦采用的形式。如圖1所示，弓形折流板常見結(jié)構(gòu)有三種：單弓形、雙弓形、三弓形。在管殼式熱交換器的殼程中，弓形折流板依次交錯(cuò)排列，流體通過折流板的圓缺部分，按照規(guī)定路徑橫向沖刷管束，從而造成流體劇烈擾動(dòng)以提高管間對(duì)流傳熱系數(shù)，從而得到比較滿意的換熱效果。

圖1 弓形折流板常見結(jié)構(gòu)

優(yōu)缺點(diǎn)綜述：弓形折流板的結(jié)構(gòu)簡單，加工方便，組裝難度小。單弓形折流板使殼程中流體的整體錯(cuò)流程度最大，在缺口處布滿換熱管的情況下壓降也較大，切割率需要嚴(yán)格控制，切口大小不合適，都會(huì)導(dǎo)致管束的傳熱性能降低。雙弓形折流板的缺口區(qū)域較大，流體被分成兩股流動(dòng)，降低了殼程整體的錯(cuò)流程度，采用該結(jié)構(gòu)有利于降低殼程壓降，減小折流板間距，減少流動(dòng)誘發(fā)振動(dòng)的概率。三弓形折流板的缺口區(qū)域更大，流體的流動(dòng)與管束軸向接近平行，壓力降更低，發(fā)生流體誘發(fā)振動(dòng)的可能性更小。雙弓形、三弓形折流板與單弓形折流板相比，其壓力降和傳熱系數(shù)都降低了，由于它能使換熱介質(zhì)間進(jìn)行良好的接觸，殼程的“死區(qū)”更少，但整體傳熱性能是提高的[7]，大多用于大直徑、大流量的管殼式熱交換器，考慮到制造成本和安裝難度的增大，所以大多情況還是以單弓形折流板為主。

1.2 折流桿結(jié)構(gòu)

如圖2所示，折流桿結(jié)構(gòu)是一種新型的支撐換熱管的結(jié)構(gòu)，由相互平行的圓鋼(直徑等于換熱管間的間隙)按一定的間距和角度焊接在規(guī)定的圓環(huán)板上構(gòu)成。折流桿構(gòu)件按一定間距固定在拉桿上，相鄰折流桿構(gòu)件上的圓鋼相互交錯(cuò)排列，組成的“井”字空間，大小與換熱管外徑相適應(yīng)，達(dá)到消除間隙固定換熱管的目的。該種結(jié)構(gòu)中，殼程流體平行于換熱管縱向流動(dòng)，不斷地產(chǎn)生 “卡曼漩渦”分離和“文丘里”效應(yīng)[8]，可以提高換熱效率，強(qiáng)化傳熱效果。

圖2 折流桿結(jié)構(gòu)

優(yōu)缺點(diǎn)綜述：折流桿結(jié)構(gòu)與弓形折流板相比，其消除了中流體誘發(fā)振動(dòng)的弊端，殼程壓力降很小，低于后者的四分之一，強(qiáng)化傳熱效果卻是后者的1.3～2.4倍[7]。另外由于平行流動(dòng)，折流桿結(jié)構(gòu)的殼程不會(huì)存在嚴(yán)重的“死區(qū)”，也不容易形成污垢。如何正確進(jìn)行折流桿熱交換器的傳熱工藝計(jì)算是目前的設(shè)計(jì)難點(diǎn)，同時(shí)，折流桿熱交換器的制造還需要專門的工裝和特殊的組裝工藝，制造難度和成本較大，這些因素限制了折流桿熱交換器的快速發(fā)展和廣泛使用。

1.3 螺旋折流板

如圖3，螺旋折流板是將多塊的扇形平面板圍繞換熱器管束中心軸，按照一定傾斜角度布置成近似螺旋形，常見的有單流道螺旋和雙流道螺旋兩種結(jié)構(gòu)，流體在殼程中近似螺旋狀流動(dòng)，不存在突然轉(zhuǎn)向的流動(dòng)。一般情況，為了降低加工、組裝方面的困難，得到連續(xù)的螺旋曲面，在一個(gè)螺距范圍內(nèi)設(shè)置 2～4 塊扇形平面板，相鄰扇形平面板之間采用搭接方式連接。

圖3 螺旋折流板結(jié)構(gòu)

優(yōu)缺點(diǎn)綜述：螺旋折流板相比弓形折流和折流桿結(jié)構(gòu)，它改變了殼程折流板的布置，消除了殼程的“死區(qū)”，壓降更小，具有更好的換熱性能(傳熱系數(shù)最大可達(dá)到弓形折流板的1.39倍，壓降隨著螺旋角的不同大約可降低26%～60%[9])，而且抗振性能強(qiáng)，防垢性能好，適用于黏度高、容易結(jié)垢的介質(zhì)的強(qiáng)化傳熱(如原油、渣油等)。由于螺旋折流板的設(shè)計(jì)比較復(fù)雜，其加工安裝難度也較大，制造成本相對(duì)較高，因此螺旋折流板一般用在一些工況特殊的場合，應(yīng)用范圍有限。

2 折流板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)的注意事項(xiàng)

(1) 當(dāng)管殼式熱交換器采用弓形折流板時(shí)，設(shè)計(jì)時(shí)通常按照GB/T151-2014《熱交換器》標(biāo)準(zhǔn)中6.8.2條的相關(guān)規(guī)定執(zhí)行。該條中對(duì)折流板的外徑及其允許偏差、折流板最小厚度、折流板管孔直徑及其允許偏差、折流板間距、折流板缺口的布置、折流板的固定形式等做了詳細(xì)的規(guī)定，為實(shí)際設(shè)計(jì)工作提供了依據(jù)。

(2) 折流板一般要求等間距設(shè)置，相鄰折流板之間的間距應(yīng)不大于設(shè)備公稱直徑，因?yàn)檎哿靼彘g距過大會(huì)導(dǎo)致傳熱效率下降，并且換熱管的無支撐跨距增大可能會(huì)誘發(fā)管束振動(dòng)。

(3) 減小折流板的間距,增加折流板的數(shù)量可以提高熱交換器的換熱系數(shù)，若折流板的間距過小會(huì)造成殼程的壓降增大和流體的速度下降，同時(shí)也給制造、檢修和清洗帶來了諸多不便。因此，設(shè)計(jì)時(shí)必須合理確定折流板的間距和數(shù)量。在管殼式熱交換器中，折流板的最小間距一般不小于圓筒內(nèi)直徑的20%，且不小于50 mm，特殊情況除外。

(4) 當(dāng)折流板采用拉桿、定距管和螺母固定時(shí)，應(yīng)采用雙螺母，保證螺母與拉桿之間鎖緊。為了防止管束振動(dòng)時(shí)螺母發(fā)生脫落，螺母鎖緊后還應(yīng)與拉桿進(jìn)行點(diǎn)焊，保證鎖緊方式牢固可靠。

(5) 弓形折流板在鉆孔和加工外圓前，應(yīng)當(dāng)與其他折流板疊放在一起，折流板外側(cè)相互點(diǎn)焊固定，然后再進(jìn)行鉆孔；待鉆孔完畢后，在折流板上選擇幾個(gè)管孔用螺栓把重疊的折流板固定好，然后再整體加工外圓。采用該種方式，使所有的折流板管孔同心、外圓相等，可以保證管束質(zhì)量，降低了穿管難度。

3 結(jié) 語

TSG 21-2016《固定式壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》[10]標(biāo)準(zhǔn)中3.1.7條規(guī)定了壓力容器的節(jié)能要求，我們應(yīng)認(rèn)真貫徹執(zhí)行。管殼式熱交換器的性能與多個(gè)幾何結(jié)構(gòu)因素有關(guān)[11]，如管殼程分程結(jié)構(gòu)、管板間隙、折流板結(jié)構(gòu)、折流板切割率、進(jìn)出口結(jié)構(gòu)、換熱管排列形式等，設(shè)計(jì)時(shí)要足夠重視，不得忽視任何一個(gè)影響因素。對(duì)熱交換器進(jìn)行科學(xué)的傳熱計(jì)算和合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是熱交換器性能的重要保證，在工程設(shè)計(jì)時(shí)只有不斷調(diào)整結(jié)構(gòu)參數(shù)，反復(fù)試算，才能得到滿意的結(jié)果。

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