折流杆管壳式换热器

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1、折流杆管壳式换热器黄素逸（华中科技大学能源学院）一折流板管壳式换热器概述换热器是量大面广的通用设备，广泛用于电力、化工、炼油、制冷、低温、建材、冶金、环保等部门，以炼油为例，其中换热器的费用占总费用的25%。换热器种类繁多，其中管壳式换热器使用最广，在应用的各类换热器中管壳式换热器约占70%。管壳是换热器的最大优点是能承受高温高压，适应性强，处理量大，工作可靠；此外其制造相对简单，生产成本低，选材范围广，清洗方便也是易为用户接受的原因。虽然它在结构紧凑性、传热强度和单位金属消耗量方面远逊于板式或板翅式换热器，但由于上述优点，管式换热器在

2、能源、化工、石油等行业至今仍占主导地位[1]。管壳式换热器是把管子和管板连接，然后再用壳体固定，其结构型式也很多，主要有固定管板式、浮头式、U型管式、滑动管板式等。各种型式的典型管壳式换热器都是由封头、管板、隔板和外壳组成，其中隔板的作用为：1）作为管子的支撑结构；2）提高壳侧流体的速度，并使流体横掠管束，从而强化壳侧的传热。由于隔板起到了折流作用，因此通常又将其称为折流板，相应的换热器也称之为折流板管壳式换热器。折流板管壳式换热器存在以下问题：1引起诱导振动，导致换热器损坏折流板使流体横掠管束，在增强传热的同时，也会引起流体的诱导振动

3、，文献[2]详细地分析了换热器内流体的诱导振动，认为漩涡脱落、紊流抖振、流体弹性激振是引起诱导振动的主要原因。文献[3]的实验研究还证实：无论是单相流或汽液两相流在横掠单管或管束时都会激发管子振动；而且垂直于绕流方向的振动振幅高于平行于绕流方向的振动振幅；两相流横掠管束时的振动振幅明显高于单相流；无论是单相流还是两相流，其引起管束振动的振幅都随着质量流速的提高而提高；对于两相流而言，随着含汽量的增加，振动的振幅也随之增加。文献[4]综述了由于上述诱导振动而导致的热交换器损坏的50多种情况，笔者曾对因诱导振动而引起损坏的折流板管壳式换热器

4、进行过解剖分析，发现诱导振动对换热器的损伤主要表现在：1）管子互相碰撞，当管子振动振幅大到足以使管子经常碰击时，就会使管壁磨损变薄，直至破坏；2）管子与折流板孔壁因振动不断碰撞，从而引起管子破裂；3）振动的管子与管板连接处受到很大的应力，久而久之就造成胀接和焊接点因应力而损坏，并造成接头泄漏；4）管子因振动反复弯折而引起应力疲劳，长时间连续振动就会导致管子破裂；5）振动引起应力脉动，会使管材中的微观缺陷扩展，直至产生裂纹。对折流板管式换热器而言，减少诱导振动振幅的措施有：1）降低横掠管束的流速；2）提高传热元件的固有频率，如增加管壁厚度

5、，减小管子的跨度。19显然这两个措施是矛盾的，因若要减管子跨度，就需要增加折流板的数目，而折流板数目的增加又会使横掠管束的流速增加。此时为减小流速，就只有增加换热器筒体的直径，这样不但使换热器体积增加，而且流速降低又会使换热系数下降。为防止诱导振动引起的破坏，在折流板管壳式换热器的设计中，对横掠管束的流速必须进行核算，并根据换热器的具体结构将其控制在某一流速之下，在TEMA等标准中，对此都有专门的规定和推荐的计算式。由于诱导振动导致折流板管壳式换热器管子破坏的最典型的例子是华能汕头电厂2号机组的海水冷却器。该冷却器是俄罗斯产品，单台机组

6、配两台100%容量的白铜管折流板式换热器，其外形尺寸为9540×1200mm，原设计为三块折流板，换热效果能满足设计要求，但运行一年就有500多根管因振动而断裂，造成闭冷水大量泄漏。后该厂对换热器进行了更换改造，把折流板增加到五块，并在壳程入口处加装挡流板，管子断裂情况较前稍好，但运行一年也有200根管子断裂。经笔者检查，断裂位置多在第一块折流板处的第一至第六排管子，其原因一方面是冷却器壳程流速为1.32m/s，超出规定值上限0.4~0.7m/s，另一方面闭冷水中混有空气，这种两相流更加剧了管子振动的振幅，最终造成了管子大量断裂。显然最

7、有效的防止诱导振动的方法是将流体由横掠管束改为纵掠管壳，但纵掠管壳的换热系数又不如横掠管束，显然这是一对矛盾，这也正是新型折流杆管壳是换热器产生的背景。2存在流动死区和漏流，使实际传热效果远低于理论值。流动死区的存在和漏流是折流板换热器的另一大问题。由于壳间的间隙漏流和折流板的孔隙漏流呈纵向流与主流的横向流是不一致的，它们参与换热的程度很低，另外折流板与筒体之间存在着流动死区，当流速较低时将使参与换热的有效传热面积减少25%~30%。这些都是造成管壳式换热器传热系数低的原因。此外壳侧流速低和死区的存在还会引起污垢的沉积、结垢和腐蚀。加上

8、为防止诱导振动壳侧流速又受到控制。3壳侧的流动阻力大由于流体反复横向掠过管束，并不断地改变流动方向，致使壳侧流动阻力大，在设计折流板换热器时壳侧的阻力常常成为制约设备选型的一个主要因素，而且增加了壳侧的泵功