管壳式换热器单弓形折流板换新技术分析

曾志伟 董云风

摘    要：以管壳式换热器为研究对象，通过介绍单弓形折流板壳程流体的速度特性和压力特性，分析壳程流体的流动路径，阐述了提高管壳式换热器换热性能的理论方法。进一步结合规范要求，分别从折流板间距及切割率、换热管及折流板安装间隙、折流板厚度和防冲板选择以及换热器耐压试验等方面，提出了单弓形折流板换新技术要点，为同类型换热器的修理提供参考。

关键词：管壳式换热器;换热性能;折流板换新;技术要点

中图分类号：U664.84                              文獻标识码：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

管壳式换热器是实现管程和壳程内流体之间热量交换的基本设备。因其具有单位体积传热面大、传热效果好、结构简单、制作材料范围广等特点，在船舶、石油和化工等领域广泛运用。其主要作用是通过壳程与管程内介质之间的能量交换，实现工作介质的加热或冷却。在船舶系统上常见的管壳式热交换器有淡水冷却器、滑油冷却器、蒸汽冷凝器等。

折流板是安装在换热器壳程内的平行隔板，作为管壳式换热器的重要组成部分，折流板对提升换热器整体传热性能和结构强度均起着关键作用。它既可以延长壳程内介质的流道长度、增加管间流速、增强湍流程度、提高热交换器的换热效果;对于卧式换热器也具有一定的支撑作用，当换热管过长而管子承受的压力过大时，可以缓解换热管因流体冲击而诱发振动的风险。

1     单弓形折流板形式

单弓形折流板是切除一部分的圆板，在热交换器壳程内等距交错布置，对壳程内流体的错流效果最为明显，因此具有较高的传热膜系数。其分布形式及外形，如图1所示。

2    壳程流体流动特性

为便于从理论上分析换热器的壳程流动特性，进而为单弓形折流板换新提供理论依据，本文以某船管壳式滑油冷却器为研究对象，使用Gambit软件建立模型，用Fluent对壳程流体的速度分布和压力特性进行数值分析。

2.1   某船换热器基本尺寸

见表1。

2.2   建立湍流模型

为了增强换热器内流体的换热性能，壳程流体流动过程中，在换热管以及折流板的影响下产生绕流并以湍流的形式存在。此过程中可假定壳程流体为牛顿流体且不可被压缩，流体的稳态流动过程能够满足纳维叶-斯托克斯方程、能量方程和连续性方程，且流体在不同方向上的流速对时间的偏导数为0[1]。

2.3   速度分布特性

如图2所示，流体从入口处进入换热器壳程内，由于有折流板的阻碍作用，使流体呈“Z”形流过各个折流板，最终从出口处流出。壳程流体在相邻的两个折流板之间呈错流流动，在折流板的迎风侧几乎垂直冲刷管束，增强了流动特性，更容易使壳程流体达到紊流状态，从而提高综合换热系数;而在折流板的背风侧，流体中会产生小涡旋，使得流速降低容易形成静压区域，换热器壁面在此区域内容易发生结垢，而且此处以热传导方式传递的热量占比较大，能量得不到很好地传递，传热效果相对较差。

2.4   压力分布特性

如图3所示，流体的压力从壳程进口到出口呈现下降趋势，主要是由于流体绕过折流板之后压力发生了衰减。当流体经过折流板后，流体流向发生了大幅度的变化，从而造成压力下降。具体来说，在出口处的接管与壳体连接部位，压力下降最为剧烈，这是由于壳体在出口处流通截面积突然减小，此时流体流速提高，而压力则随之降低;在相邻的两块折流板之间，压力分布比较均匀，压力梯度较小，这是由于相邻的折流板之间流速和流向均无较大改变，此时压力变化不明显;在折流板缺口处压力衰减较为明显，这是因为流体的速度在此处变化最为明显，从而导致压力大幅度下降。

2.5   流动路径

传统的管壳式换热器多以单弓型为主，因其应用历史悠久、工艺技术成熟、安装也较为方便。

流体在壳程内流动，通常包含4类流动路径：换热管穿过折流板的管孔时从装配间隙处泄漏的流路（A）;换热管之间的错流流路（B）;管束的外围与换热器外壳内壁之间形成的流路（C）;折流板与换热器外壳的内壁之间形成的流路（D）。在此4类流路中，A和D因换热管及折流板安装时有间隙形成，流体的流量虽然很小但不可忽略，因此在折流板及换热管换新时必须选择合适的安装间隙，如果间隙过大则会造成较大的流体泄漏;而B和C流路是壳程流体的主要流动路径，其中B路径中的流体流向与换热管呈一定的夹角，与管程内流体的换热效果最为明显;而C路径中流体相对于换热管接近于平行流动，这部分流体换热量相对较小。

3    折流板换新技术要点

评判管壳式换热器性能的好坏通常由壳程与管程内流体的能量传递效率所决定。一方面，通过加大折流板之间的间距、加大折流板缺口的切割高度，可以降低壳程的纵向流流阻、增加壳程流体流速，从而减小传热“死区”的形成，但也会分别造成换热管固定不稳、壳程流体错流效果下降;另一方面，减少壳程内流体在A和D流路的泄漏量，可以提高产生错流的流体流量，但同时也会给换热管等零部件安装带来不便。因此，在折流板换新时必须综合选择合适的技术参数，才可使换热器换热性能处于最为理想的状态，通常可依据《GB151-2004热交换器》（以下简称GB/T151）规范要求选取相关参数。

3.1   折流板材质和加工要求

通常换热器壳程内有防腐蚀锌块保护壳体免受海水盐类腐蚀，因此可选用A3等碳钢钢板加工折流板。由于折流板上需要加工一定数量的换热管安装孔，从折流板安装的简便角度出发，对于较薄的折流板可以选用激光自动切割的方式进行，这样可以确保折流板外径符合《GB/T151》中规定的允许偏差要求。

3.2   折流板跨距要求

换热器壳程内相临两片折流板中心之间的距离是管壳式换热器最重要的参数之一（如图4所示）。间距太小则折流板分布过于密集，流体流动阻力增大，此时在折流板与换热器外壳内壁之间渗透的流体流量增加，导致换热器热效率降低，同时管束内部堆积的污垢不容易清理;但如果间距过大则会造成壳程流体的径向流动减弱，壳程流体与管程流体换热效果降低，且大间距也不利于换热管的固定，严重时还会引起换热管发生振动，降低换热器的使用寿命。

根据传热学理论可知，当换热器壳程流体的雷诺数Re≥1 000时，流体表现为湍流流动，此时流体的传热系数正比于流体流速的0.6～0.7次方，流体的压降则正比于流速的1.7～2.0次方;而对于雷诺数Re<1000的层流流动，流体的传热系数正比于流速的0.33次方，而流体压降与流速则成正比关系。由此可知，当减小折流板间距时，换热器进、出口的压降比流体传热系数的变化更为明显，因此为了獲得最好的传热效果，可将折流板间距控制在换热器外壳内径的0.2倍左右，但不得小于100 mm。在《GB/T151》规范中规定了换热管最大无支撑跨距取决于换热管外径，这也适用于折流板间距的选取。但对于铜合金以及铝合金材质的换热管最大无支撑跨距有所不同。

3.3   折流板切割率要求

折流板切割率一般用切口高度与剩余高度之比来表示。如图5所示，如切口高度为h，则切割率表示为h/（2R-h），R为折流板外圆半径。

如果折流板切割率过大或过小，均会引起换热器壳侧的流体分布不合理，导致传热效率下降。其中，切口率太小则流体压降增大，容易形成流动“死区”，并且加速海水垢化;而切割率太大则措施效果不明显。因此，为了提高壳程整体的错流程度，单弓形折流板切割率最好控制在20%～49%之间。

3.4   折流板安装间隙要求

管壳式换热器在加工管板管孔时，控制换热管与折流板管孔之间的安装间隙在合适的范围内，可有效的降低换热管的安装难度，且能避免间隙过大造成流体从间隙处发生过量的渗漏。

规范《GB/T151》明确列出了不同管径的换热管在管板上所开的对应管孔尺寸要求及其公差，并且列明了钢制Ⅰ级、钢制Ⅱ级、铝和铝合金、铜和铜合金等材质的换热管管孔的公差要求。以船舶常用的铜合金换热管为例，10～32 mm管径的管孔尺寸及公差要求如表2所示。

3.5  设置合适的防冲板

防冲板是防止入口处的流体直接冲刷换热管引发管子振动的一种装置，通常设置在换热器入口处。对于非磨蚀的单相流体，当换热器的壳程入口处流体密度与流速平方之积，即ρv2≥2230 kg/ms2时，应设置合适的防冲结构，以避免流体对管束直接冲击而诱发振动。防冲板设置时，应选择合适的长度避免流体直接冲刷换热管诱发振动，但如果长度过大则会增加材料和制作成本，且会造成折流板间距过大。

3.6   选用合适的折流板厚度

规范《GB/T151》规定了折流板的最小厚度应根据换热器的外壳内径以及折流板的无支撑间距进行选择。例如，当壳体公称通径DN=400～700 mm且换热管的无支撑跨距<300 mm时，折流板的最小厚度为4 mm。厚度越大对加热管的支撑强度越大，但也会造成材料和制作成本相应地增加。

3.7   具备足够的耐压强度和保压性能

换热器在折流板换新过程中，还涉及拆装加热管、固定管板、定距管、折流板和防冲板等结构，因此换热器在重新组装后需对其壳程与管程进行压力试验，试验压力需大于或等于设计压力的1.5倍并保持压力30 min，在各连接部位不允许出现液滴泄漏现象[3]。

4    总结

管壳式换热器经过多年的发展，设计理论和设备生产均较为成熟。但非生产厂家在从事换热器的修理及维护时，如果不充分考虑设备的设计参数、工作原理及相关规范要求，则维修后的换热器性能较低，不符合节能减排要求。本文通过介绍单弓形折流板换新技术要点，为换热器的维修提供参考依据，但在实际的维修过程中也要综合考虑施工难度和成本，避免不合理的人力和物力支出。

参考文献

[1]黎蓉.单弓形和新型折流板换热器壳程流场的数值模拟及性能对比分析[J].石油化工设计， 2017，33（1）.

[2]张军，吴锐，徐冬梅.管壳式换热器泄漏原因分析及改进设计思路[J].压缩机技术， 2017（2）.

[3]董云风.船用管壳式造水机组造水量影响因素探究及系统节能与优化[D]. 华南理工大学，2019.