管殼式換熱器單弓形折流板換新技術(shù)分析

曾志偉 董云風(fēng)

摘? ? 要：以管殼式換熱器為研究對象，通過介紹單弓形折流板殼程流體的速度特性和壓力特性，分析殼程流體的流動路徑，闡述了提高管殼式換熱器換熱性能的理論方法。進(jìn)一步結(jié)合規(guī)范要求，分別從折流板間距及切割率、換熱管及折流板安裝間隙、折流板厚度和防沖板選擇以及換熱器耐壓試驗(yàn)等方面，提出了單弓形折流板換新技術(shù)要點(diǎn)，為同類型換熱器的修理提供參考。

關(guān)鍵詞：管殼式換熱器;換熱性能;折流板換新;技術(shù)要點(diǎn)

中圖分類號：U664.84 ?? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

Abstract： Taking the tube-shell type heat exchanger as the research object， this paper introduces the velocity and pressure characteristics of the shell-side fluid with single segmental baffle， analyzes the flow path of the shell-side fluid， and explains the theoretical method to improve the heat transfer performance of the tube-shell type heat exchanger. Further combined with the requirements of the rules， the technical points of replacing single segmental baffle are put forward from the aspects of baffle spacing and cutting rate， installation clearance of heat exchange tube and baffle， baffle thickness and length of anti-impact plate， and pressure test of heat exchanger， in order to provide experience reference for the repair of the same type of heat exchanger.

Key words： Tube-shell type heat exchanger; Heat transfer performance; Baffle replacement; Technical points

管殼式換熱器是實(shí)現(xiàn)管程和殼程內(nèi)流體之間熱量交換的基本設(shè)備。因其具有單位體積傳熱面大、傳熱效果好、結(jié)構(gòu)簡單、制作材料范圍廣等特點(diǎn)，在船舶、石油和化工等領(lǐng)域廣泛運(yùn)用。其主要作用是通過殼程與管程內(nèi)介質(zhì)之間的能量交換，實(shí)現(xiàn)工作介質(zhì)的加熱或冷卻。在船舶系統(tǒng)上常見的管殼式熱交換器有淡水冷卻器、滑油冷卻器、蒸汽冷凝器等。

折流板是安裝在換熱器殼程內(nèi)的平行隔板，作為管殼式換熱器的重要組成部分，折流板對提升換熱器整體傳熱性能和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度均起著關(guān)鍵作用。它既可以延長殼程內(nèi)介質(zhì)的流道長度、增加管間流速、增強(qiáng)湍流程度、提高熱交換器的換熱效果;對于臥式換熱器也具有一定的支撐作用，當(dāng)換熱管過長而管子承受的壓力過大時(shí)，可以緩解換熱管因流體沖擊而誘發(fā)振動的風(fēng)險(xiǎn)。

1? ? ?單弓形折流板形式

單弓形折流板是切除一部分的圓板，在熱交換器殼程內(nèi)等距交錯(cuò)布置，對殼程內(nèi)流體的錯(cuò)流效果最為明顯，因此具有較高的傳熱膜系數(shù)。其分布形式及外形，如圖1所示。

2? ? 殼程流體流動特性

為便于從理論上分析換熱器的殼程流動特性，進(jìn)而為單弓形折流板換新提供理論依據(jù)，本文以某船管殼式滑油冷卻器為研究對象，使用Gambit軟件建立模型，用Fluent對殼程流體的速度分布和壓力特性進(jìn)行數(shù)值分析。

2.1? ?某船換熱器基本尺寸

見表1。

2.2? ?建立湍流模型

為了增強(qiáng)換熱器內(nèi)流體的換熱性能，殼程流體流動過程中，在換熱管以及折流板的影響下產(chǎn)生繞流并以湍流的形式存在。此過程中可假定殼程流體為牛頓流體且不可被壓縮，流體的穩(wěn)態(tài)流動過程能夠滿足納維葉-斯托克斯方程、能量方程和連續(xù)性方程，且流體在不同方向上的流速對時(shí)間的偏導(dǎo)數(shù)為0[1]。

2.3? ?速度分布特性

如圖2所示，流體從入口處進(jìn)入換熱器殼程內(nèi)，由于有折流板的阻礙作用，使流體呈“Z”形流過各個(gè)折流板，最終從出口處流出。殼程流體在相鄰的兩個(gè)折流板之間呈錯(cuò)流流動，在折流板的迎風(fēng)側(cè)幾乎垂直沖刷管束，增強(qiáng)了流動特性，更容易使殼程流體達(dá)到紊流狀態(tài)，從而提高綜合換熱系數(shù);而在折流板的背風(fēng)側(cè)，流體中會產(chǎn)生小渦旋，使得流速降低容易形成靜壓區(qū)域，換熱器壁面在此區(qū)域內(nèi)容易發(fā)生結(jié)垢，而且此處以熱傳導(dǎo)方式傳遞的熱量占比較大，能量得不到很好地傳遞，傳熱效果相對較差。

2.4? ?壓力分布特性

如圖3所示，流體的壓力從殼程進(jìn)口到出口呈現(xiàn)下降趨勢，主要是由于流體繞過折流板之后壓力發(fā)生了衰減。當(dāng)流體經(jīng)過折流板后，流體流向發(fā)生了大幅度的變化，從而造成壓力下降。具體來說，在出口處的接管與殼體連接部位，壓力下降最為劇烈，這是由于殼體在出口處流通截面積突然減小，此時(shí)流體流速提高，而壓力則隨之降低;在相鄰的兩塊折流板之間，壓力分布比較均勻，壓力梯度較小，這是由于相鄰的折流板之間流速和流向均無較大改變，此時(shí)壓力變化不明顯;在折流板缺口處壓力衰減較為明顯，這是因?yàn)榱黧w的速度在此處變化最為明顯，從而導(dǎo)致壓力大幅度下降。

2.5? ?流動路徑

傳統(tǒng)的管殼式換熱器多以單弓型為主，因其應(yīng)用歷史悠久、工藝技術(shù)成熟、安裝也較為方便。

流體在殼程內(nèi)流動，通常包含4類流動路徑：換熱管穿過折流板的管孔時(shí)從裝配間隙處泄漏的流路（A）;換熱管之間的錯(cuò)流流路（B）;管束的外圍與換熱器外殼內(nèi)壁之間形成的流路（C）;折流板與換熱器外殼的內(nèi)壁之間形成的流路（D）。在此4類流路中，A和D因換熱管及折流板安裝時(shí)有間隙形成，流體的流量雖然很小但不可忽略，因此在折流板及換熱管換新時(shí)必須選擇合適的安裝間隙，如果間隙過大則會造成較大的流體泄漏;而B和C流路是殼程流體的主要流動路徑，其中B路徑中的流體流向與換熱管呈一定的夾角，與管程內(nèi)流體的換熱效果最為明顯;而C路徑中流體相對于換熱管接近于平行流動，這部分流體換熱量相對較小。

3? ? 折流板換新技術(shù)要點(diǎn)

評判管殼式換熱器性能的好壞通常由殼程與管程內(nèi)流體的能量傳遞效率所決定。一方面，通過加大折流板之間的間距、加大折流板缺口的切割高度，可以降低殼程的縱向流流阻、增加殼程流體流速，從而減小傳熱“死區(qū)”的形成，但也會分別造成換熱管固定不穩(wěn)、殼程流體錯(cuò)流效果下降;另一方面，減少殼程內(nèi)流體在A和D流路的泄漏量，可以提高產(chǎn)生錯(cuò)流的流體流量，但同時(shí)也會給換熱管等零部件安裝帶來不便。因此，在折流板換新時(shí)必須綜合選擇合適的技術(shù)參數(shù)，才可使換熱器換熱性能處于最為理想的狀態(tài)，通?？梢罁?jù)《GB151-2004熱交換器》（以下簡稱GB/T151）規(guī)范要求選取相關(guān)參數(shù)。

3.1? ?折流板材質(zhì)和加工要求

通常換熱器殼程內(nèi)有防腐蝕鋅塊保護(hù)殼體免受海水鹽類腐蝕，因此可選用A3等碳鋼鋼板加工折流板。由于折流板上需要加工一定數(shù)量的換熱管安裝孔，從折流板安裝的簡便角度出發(fā)，對于較薄的折流板可以選用激光自動切割的方式進(jìn)行，這樣可以確保折流板外徑符合《GB/T151》中規(guī)定的允許偏差要求。

3.2? ?折流板跨距要求

換熱器殼程內(nèi)相臨兩片折流板中心之間的距離是管殼式換熱器最重要的參數(shù)之一（如圖4所示）。間距太小則折流板分布過于密集，流體流動阻力增大，此時(shí)在折流板與換熱器外殼內(nèi)壁之間滲透的流體流量增加，導(dǎo)致?lián)Q熱器熱效率降低，同時(shí)管束內(nèi)部堆積的污垢不容易清理;但如果間距過大則會造成殼程流體的徑向流動減弱，殼程流體與管程流體換熱效果降低，且大間距也不利于換熱管的固定，嚴(yán)重時(shí)還會引起換熱管發(fā)生振動，降低換熱器的使用壽命。

根據(jù)傳熱學(xué)理論可知，當(dāng)換熱器殼程流體的雷諾數(shù)Re≥1 000時(shí)，流體表現(xiàn)為湍流流動，此時(shí)流體的傳熱系數(shù)正比于流體流速的0.6～0.7次方，流體的壓降則正比于流速的1.7～2.0次方;而對于雷諾數(shù)Re<1000的層流流動，流體的傳熱系數(shù)正比于流速的0.33次方，而流體壓降與流速則成正比關(guān)系。由此可知，當(dāng)減小折流板間距時(shí)，換熱器進(jìn)、出口的壓降比流體傳熱系數(shù)的變化更為明顯，因此為了獲得最好的傳熱效果，可將折流板間距控制在換熱器外殼內(nèi)徑的0.2倍左右，但不得小于100 mm。在《GB/T151》規(guī)范中規(guī)定了換熱管最大無支撐跨距取決于換熱管外徑，這也適用于折流板間距的選取。但對于銅合金以及鋁合金材質(zhì)的換熱管最大無支撐跨距有所不同。

3.3? ?折流板切割率要求

折流板切割率一般用切口高度與剩余高度之比來表示。如圖5所示，如切口高度為h，則切割率表示為h/（2R-h），R為折流板外圓半徑。

如果折流板切割率過大或過小，均會引起換熱器殼側(cè)的流體分布不合理，導(dǎo)致傳熱效率下降。其中，切口率太小則流體壓降增大，容易形成流動“死區(qū)”，并且加速海水垢化;而切割率太大則措施效果不明顯。因此，為了提高殼程整體的錯(cuò)流程度，單弓形折流板切割率最好控制在20%～49%之間。

3.4? ?折流板安裝間隙要求

管殼式換熱器在加工管板管孔時(shí)，控制換熱管與折流板管孔之間的安裝間隙在合適的范圍內(nèi)，可有效的降低換熱管的安裝難度，且能避免間隙過大造成流體從間隙處發(fā)生過量的滲漏。

規(guī)范《GB/T151》明確列出了不同管徑的換熱管在管板上所開的對應(yīng)管孔尺寸要求及其公差，并且列明了鋼制Ⅰ級、鋼制Ⅱ級、鋁和鋁合金、銅和銅合金等材質(zhì)的換熱管管孔的公差要求。以船舶常用的銅合金換熱管為例，10～32 mm管徑的管孔尺寸及公差要求如表2所示。

3.5? 設(shè)置合適的防沖板

防沖板是防止入口處的流體直接沖刷換熱管引發(fā)管子振動的一種裝置，通常設(shè)置在換熱器入口處。對于非磨蝕的單相流體，當(dāng)換熱器的殼程入口處流體密度與流速平方之積，即ρv2≥2230 kg/ms2時(shí)，應(yīng)設(shè)置合適的防沖結(jié)構(gòu)，以避免流體對管束直接沖擊而誘發(fā)振動。防沖板設(shè)置時(shí)，應(yīng)選擇合適的長度避免流體直接沖刷換熱管誘發(fā)振動，但如果長度過大則會增加材料和制作成本，且會造成折流板間距過大。

3.6? ?選用合適的折流板厚度

規(guī)范《GB/T151》規(guī)定了折流板的最小厚度應(yīng)根據(jù)換熱器的外殼內(nèi)徑以及折流板的無支撐間距進(jìn)行選擇。例如，當(dāng)殼體公稱通徑DN=400～700 mm且換熱管的無支撐跨距<300 mm時(shí)，折流板的最小厚度為4 mm。厚度越大對加熱管的支撐強(qiáng)度越大，但也會造成材料和制作成本相應(yīng)地增加。

3.7? ?具備足夠的耐壓強(qiáng)度和保壓性能

換熱器在折流板換新過程中，還涉及拆裝加熱管、固定管板、定距管、折流板和防沖板等結(jié)構(gòu)，因此換熱器在重新組裝后需對其殼程與管程進(jìn)行壓力試驗(yàn)，試驗(yàn)壓力需大于或等于設(shè)計(jì)壓力的1.5倍并保持壓力30 min，在各連接部位不允許出現(xiàn)液滴泄漏現(xiàn)象[3]。

4? ? 總結(jié)

管殼式換熱器經(jīng)過多年的發(fā)展，設(shè)計(jì)理論和設(shè)備生產(chǎn)均較為成熟。但非生產(chǎn)廠家在從事?lián)Q熱器的修理及維護(hù)時(shí)，如果不充分考慮設(shè)備的設(shè)計(jì)參數(shù)、工作原理及相關(guān)規(guī)范要求，則維修后的換熱器性能較低，不符合節(jié)能減排要求。本文通過介紹單弓形折流板換新技術(shù)要點(diǎn)，為換熱器的維修提供參考依據(jù)，但在實(shí)際的維修過程中也要綜合考慮施工難度和成本，避免不合理的人力和物力支出。

參考文獻(xiàn)

[1]黎蓉.單弓形和新型折流板換熱器殼程流場的數(shù)值模擬及性能對比分析[J].石油化工設(shè)計(jì)， 2017，33（1）.

[2]張軍，吳銳，徐冬梅.管殼式換熱器泄漏原因分析及改進(jìn)設(shè)計(jì)思路[J].壓縮機(jī)技術(shù)， 2017（2）.

[3]董云風(fēng).船用管殼式造水機(jī)組造水量影響因素探究及系統(tǒng)節(jié)能與優(yōu)化[D]. 華南理工大學(xué)，2019.