（机械工程专业论文）螺旋折流板换热器复合壳体制造工艺研究.pdf

学位论文数据集 1 1 1 11 11 11 1ii i1 11 1 1 tu l y 1810 6 5 1 中图分类号 t t i 学科分类号 4 6 0 论文编号 1 0 0 1 0 2 0 0 7 0 3 0 0 6 1密级公开 学位授予单位代码 1 0 0 1 0 学位授予单位名称北京化工大学 作者姓名许志清学号 2 0 0 3 0 3 0 0 6 1 获学位专业名称机械工程获学位专业代码 0 8 0 2 课题来源生产实际研究方向化工过程机械 论文题目 螺旋折沈板换热器复合壳体制造工艺研究 关键词 复合板，换热器壳体，制造工艺，质量控制 论文答辩日期2 0 0 7 年5 月3 0 日论文类型应用研究 学位论文评阅及答辩委员会情况 姓名职称工作单位学科专长 指导教师钱才富教授北京化工大学 企业导师王长发高工中石油前郭石化分公司 评阅人1孙腾良高工中国石化装备总公司 评阅人2徐鸿教授北京化工大学 评阅人3 评阅人4 徽员会蛳孙腾良高工中国石化装备总公司 答辩委员1徐鸿教授北京化工大学 答辩委员2范德顺教授北京化工大学 答辩委员3 答辩委员4 答辩委员5 注：一论文类型：1 基础研究2 应用研究3 开发研究4 其它 二中图分类号在中国图书资料分类法查询 三学科分类号在中华人民共和国国家标准( g b t l3 7 4 5 - 9 ) 学科分类与代码中 查询 四论文编号由单位代码和年份及学号的后四位组成 2 一 一 一 摘要 螺旋折流板换热器复合壳体制造工艺研究 摘要 2 0 0 4 年中石油前郭炼油厂炼油设备制造分厂为北京东方亿鹏公司制 造了一批复合板折流板换热器，其中换热器的壳体由1 6 m n r + 3 0 4 l 复合钢板 制造，但复合壳体在制造组装过程中遇到了一系列实际问题，如对口错边 量超标，卷筒出现裂纹，焊接出现焊接缺陷，总装出现法兰不同轴等。为 此，本论文作者作为主要技术人员，从材料检验开始，对各个加工环节易 出现的问题进行分析研究，通过大量试验，结合理论分析计算，找出出现 问题的病因，并提出相应的质量控制措施，包括材料检查、冷卷、焊接及 组装等加工过程，最终使所制造的产品达到了设计规范要求，并为以后继 续制造该类产品积累了宝贵经验。实践证明，这些质量控制措施是行之有 效，产品出厂后经过一个周期的实际运行，质量可靠，得到了用户的一致 好评。 关键词：复合板，换热器，制造工艺，质量控制 北京化工大学硕士学位论文 m a n u e a c t u r er e s e a r c hf o rc l a ds h e l lo f h e l i c a lb a f f l eh e a te x c h a n g e l t s a b s t r a c t i n2 0 0 4 ，q i a n g u o r e f i n e r ye q u i p m e n t m a n u f a c t u r ep l a n to fc h i n a p e t r o l e u ml c w a sa s k e dt om a n u f a c t u r e6h e l i c a lb a f f l eh e a te x c h a n g e r sf o r b e i j i n gy i p e n gl c t h es h e l lo ft h ee x c h a n g e rw a sm a d eo f1 6 m n r + 3 0 4 l c l a ds t e e l s ，w h i c ha r o s ean u m b e ro fm a n u f a c t u r ep r o b l e m ss h u c ha se x c e s s i v e u n f i t n e s so fb u t tw e l d i n gj o i n t ，r o l l b e n d i n gc r a c k , w e l d i n gd e f e c t ，p i p e a x i a l i t yo fa s s e m b l i n g ，e t c i no r d e rt oe n s u r et h eq u a l i t yo ft h es h e l l ，c a u s e s f o rt h e s em a n u f a c t u r e p r o b l e m sw e r ea n a l y z e dw i t ht h e o r e t i c a lc a l c u l a t i o na n d e x p e r i m e n t a le x a m i n a t i o n ，a n dc o r r e s p o n d i n gm e a s u r e sw e r ep r o p o s e dw h i c h i n c l u d e dq u a l i t yc o n t r o lm e a s u r e sf o rm a t e r i a l s ，c o l dr o l l i n g ，w e l d i n ga n d a s s e m b l y , e t c i th a sb e e np r o v e dt h a tt h e s eq u a l i t yc o n t r o lm e a s u r e sw e r e e f f e c t i v ea n dt h eq u a l i t yf o rt h ef m a lp r o d u c tc o n f i r m e dt oa l lr e q u i r e m e n t sb y r e l a v e n ts t a n d a r d s t h eh e l i c a lb a f f l eh e a te x c h a n g e r sw e r es u c c e s s f u l l yu s e d f o rn e a r l yt h r e ey e a r s k e yw o r d s ：c l a dp l a t e ，h e a te x c h a n g e r ，m a n u f a c t u r ep r o c e s s ，q u a l i t y c o n t r o l 目录 目录 第一章绪论1 1 1 换热器种类及新材料1 1 1 1 换热器的种类1 1 1 2 换热器新材料2 1 2 螺旋折流板换热器3 1 2 1 螺旋折流板换热器的提出3 1 2 2 螺旋折流板换热器的优缺点4 1 2 3 螺旋折流板的几何结构5 1 2 4 螺旋折流板换热器的实验研究现状9 1 3 不锈钢复合板1 0 1 3 1 不锈钢复合板的形成1 0 1 3 2 不锈钢复合板设备的焊接特点1 1 1 41 6 m n r 板1 3 1 4 1 1 6 m n r 简介1 3 1 4 21 6 m n r 的焊接性1 3 1 4 2 11 6 m n r 结构的手工电弧焊1 4 1 4 2 21 6 m n r 结构的埋弧自动焊1 5 1 5 不锈钢板1 5 1 5 1 不锈钢板简介1 5 1 5 2 克服晶间腐蚀的方法1 6 1 5 31 8 - 8 奥氏体不锈钢的焊接1 7 1 6 奥氏体不锈钢与普通钢的焊接2 1 1 7 本课题研究的目的2 2 第二章材料控制与制造环境要求2 3 2 1 复合板螺旋折流板换热器简介2 3 2 2 材料控制2 4 2 2 1 复合钢板特点2 4 2 2 2 复合板控制措施2 5 2 3 环境控制2 7 2 3 1 生产环境控制原因2 7 北京化工大学硕士学位论文 2 3 2 对厂房地面及空间的灰尘2 7 2 3 3 对设备内环境的控制2 7 第三章复合壳体的卷制与组对2 9 3 1 管箱短节简体卷简控制2 9 3 1 1 管箱短节及简体卷筒时出现的问题2 9 3 1 2 卷筒直径超标原因分析2 9 3 1 - 3 筒体展开长度计算3 0 3 1 4 实践验证3 2 3 1 5 卷简直径超标控制3 2 3 2 筒节组对超标控制3 2 3 2 1 筒节组对易出现的问题3 3 3 2 2 筒节组对易出现的问题原因分析3 3 3 2 3 筒节组对超标控制措施3 3 3 3 与法兰对接的简体实际中展长度的控制3 5 3 4 接管与简体的组对3 5 3 4 1 接管与筒体的组对易出现的问题3 5 3 4 2 接管与简体的组对易出现的问题原因分析3 5 3 4 3 接管与简体的组对易出现的问题控制措施3 5 3 5 壳体同心度的控制3 6 3 6 结论3 6 第四章复合板壳体及管端的焊接3 7 4 1 复合板壳体及管束简介。3 7 4 2 板材基层焊接3 7 4 2 1 板材基层易出现的问题3 7 4 2 2 原因分析3 8 4 2 3 防止措施4 0 4 2 4 实际检验情况4 1 4 2 5 结论4 1 4 3 过渡层焊接4 1 4 3 1 过渡层易出现的问题= 4 1 4 3 2 原因分析4 2 4 3 3 解决措施4 3 4 4 复层焊接4 5 目录 4 4 1 焊接中易出现的问题4 5 4 4 2 原因分析4 6 4 4 3 解决措施一焊接工艺性试验4 7 4 4 4 结论4 8 4 5 管束焊接4 9 4 5 1 换热管与管板参数4 9 4 5 2 换热管与管板焊接4 9 4 5 3 焊后检验和焊后返修j 5 0 第五章换热器组装与检验5 1 5 1 管束组装5 1 5 2 换热器重叠预组装5 l 5 3 液压试验：5 2 5 3 1 要求：5 2 5 3 2 检验5 3 5 4 总体检验- 5 4 第六章结论5 5 ，“ 参考文献5 6 致谢5 8 i i i 北京化工大学硕士学位论文 c o n i e n t s c h a 眦l ui n t r o d u c n o n 1 1 1c a t e g o r ya n dm a t e r i a lo f e x c h a n g e 1 1 1 1c a t e g o r yo fe x c h a n g e r 1 1 1 2m a t e r i a lf o re x c h a n g e r 2 1 2e x c h a n g e rw i t hs p i r a lb a f f l e 3 1 2 1p r o p o s i t i o nf o re x c h a n g e rw i t hs p i r a lb a f f l e 3 1 2 2a d v a n t a g e d e f e c ta b o u te x c h a n g e rw i t hs p i r a lb a f f l e 4 1 2 3g e o m e t r yc o n f i g u r a t i o nf o rs p i r a lb a f f l e 5 1 2 4e x p e r i m e n tr e s e a r c hs t a t u sf o re x c h a n g e rw i t hs p i r a lb a f f l e 9 1 3s t a i n l e s sc l a dp l a t e 1 ( ) 1 3 1f o r m a t i o no fs t a i n l e s sd a dp l a t e ：1 0 1 3 2w e l d i n gc h a r a c t e ro fe q u i p m e n tm a d eo fs t a i n l e s sc l a dp l a t e 1 l 1 4 1a b o u t1 6 m n rp l a t e 1 3 1 4 1m e c h a n i s mo f1 6 m n rp l a t e 1 3 1 4 2w e d d i n gc a p a b i l i t yo f1 6 m n r p l a t e 1 3 1 4 2 1m a n u a le l e c t r i c a r c w e l d i n g o f l 6 m n r p l a t e 1 4 1 4 2 2 a u t o m a t i cs u b m e r g e da r cw e l d i n go f1 6 m n rp l a t e 1 5 1 5s t a i n l e s sp l a t e 1 1 ； 1 5 1a b o u ts t a i n l e s sp l a t e ：1 5 1 5 2m e a s u r et op r e v e n ti n t e r c r y s t a l l i n ec o r r o s i o n 1 6 1 5 3w e l d i n gf o r1 8 8a u s t e n i t i cs t a i n l e s ss t e e l 1 7 1 6w e l d i n gb e t w e e n1 8 8a u s t e n i t i cs t a i n l e s ss t e e la n dc a r b o np l a t e 2 1 1 7 a i mo f r e s e a r c h 2 2 c h a p t e r 2m a t e r i a lc o n t r o l r e q u i r e m e n to fm a n u f a c t u r ec o n d i t i o n 2 3 2 1b r i e fi n t r o d u c ef o rc l a dp l a t ee x c h a n g e ro fs p i r a lb a f f l e 2 3 2 2m a t e r i a lc o n t r o l 2 4 2 2 1c h a r a c t e ro f c l a dp l a t e 2 4 2 2 2c o n t r o lm e a s u r eo f c l a dp l a t e 2 5 2 3c i r c u m s t a n c ec o n t r o l 2 7 i v 2 3 1c o n t r o lr e a s o nf o rm a n u f a c t u r ec o n d i t i o n 2 7 2 3 2c o n t r o lf o rd u s to f w o r k s h o pf l o o ra n ds p a c e 2 7 2 3 3c o n t r o lf o ri n t e r n a lc i r c u m s t a n c eo f e q u i p m e n t 2 7 c h a p t e r 3r o l lb e n d i n g & a s s e m b l a g ef o rc l a ds h e l l 2 9 3 1c o n t r o lo f r o l lb e n d i n gf o rc h a n n e l & s h e l l 2 9 3 1 1p r o b l e m so fr o l lb e n d i n gf o rc h a n n e l s h e l l 2 9 3 1 2r e a s o na n a l y s i sf o rd i a m e t e ro f fs p e co f r o l lb e n d i n g 2 9 3 1 3e x p a n d e dl e n g t hc a l c u l a t i o nf o r t h es h e l l 3 0 3 1 4v a l i d a t i o nb yp r a c t i c e 3 2 3 1 5c o n t r o lf o rd i a m e t e ro f fs p e co f r o l lb e n d i n g j 3 2 3 2o f fs p e cc o n t r o lf o rs h e l la s s e m b l a g e 3 2 3 2 1i s s u e so f s h e l la s s e m b l a g e 3 2 3 2 2r e a s o na n a l y s i sf o ri s s u e so f s h e l la s s e m b l a g e 3 2 3 2 3c o n t r o lm e a s u r eo fs h e l la s s e m b l a g e 3 3 3 3a c t o a lo u t s p r e a dl e n g t ho fs h e l lm i d d l ed i a m e t e ra s s e m b l ew i t hf l a n g e ：3 5 3 4 a s s e m b l a g eb e t w e e np i p ea n d s h e l l 3 5 3 4 1p r o b l e m so fa s s e m b l a g eb e t w e e np i p ea n ds h e l l - ：3 5 3 a 2r e a s o na n a l y s i sf o ra s s e m b l a g eb e t w e e np i p ea n ds h e l l 3 5 3 4 3c o n t r o lm e a s u r ef o ra s s e m b l a g eb e t w e e np i p ea n ds h e l l 3 5 3 5c o n t r o lf o rs h e l lc o n c e n t r i c i t y ：己3 6 3 6c o n c l u s i o n 3 6 c h a p t e r 4 w e l d i n go fc l a ds h e l la n d c h a n n e l 3 7 4 1b r i e f i n t r o d u c eo fc l a ds h e l la n dt u b eb u n d l e 3 7 4 2w e l d i n gf o rb a s a lp l a t e 3 7 4 2 1p r o b l e m so f w e l d i n gf o rb a s a lp l a t e 3 7 4 2 2r e a s o na n a l y s i s 3 8 4 2 3m e a s u r e z 1 0 4 2 4a c t u a li n s p e c t i o n 4 1 4 2 5c o n c l u s i o n 4 1 4 3w e d d i n gf o rt r a n s i t i o nl a y e r 4 1 4 3 1p r o b l e m so f w e l d i n gf o rt r a n s i t i o nl a y e r 4 1 4 3 2r e a s o na n a l y s i s 4 2 4 3 3m e a s u r e 4 3 v 北京化工大学硕士学位论文 4 aw e d d i n gf o rc l a d d i n g 。l ! ； 4 4 1p r o b l e m so f w e l d i n gf o rc l a d d i n g 4 5 4 4 2r e a s o na n a iy s i s 4 6 4 4 3m e a s u r e t e s tf o rp r o c e s sp r o p e r t yo fw e l d i n g 4 7 4 4 4c o n c l u s i o n 二4 8 4 5w e l d i n gf o rt u b eb u n d l e 4 9 4 5 1p a r a m e t e r so f t u b ea n dt u b e s h e e t 4 9 4 5 2w e l d i n go f t u b ea n dt u b e - s h e e t 4 9 4 5 3t e s to f p o s t w e l d i n ga n dr e p a i r 5 0 c h a p t e r 5 a s s e m b l a g e t e s to f e x c h a n g e r 5 1 5 1a s s e m b l a g eo f t u b eb u n d l e 5 1 5 2o v e r l a p p i n gp r e - a s s e m b l a g ef o re x c h a n g e r ：5 1 5 3h y d r a u l i ct e s t 5 2 5 3 1r e q u i r e m e n t 5 2 5 3 2t e s t 5 2 5 3 3o v e r d 1t e s t 5 2 c h a p t e r6 c o n c l u s i o n 5 5 i 。i t e r a t u r ec i t e 5 6 t h a n k s ：5 8 v i 一r 第一章绪论 1 1 换热器种类及新材料 第一章绪论 换热器是炼油、化工、发电、环保等行业工艺过程中的主要设备。尤其在炼 油厂，换热设备占设备总金属消耗量的2 0 左右。它既是工艺流程中的重要装备， 同时又是企业减少能源消耗、降低生产成本的主要手段。因此换热设备技术水平 是炼油厂先进程度的重要标志之一。世界各国都围绕着高效率、低能耗、低成本 这一目标，对各类换热设备进行了大量的试验与数值模拟研究。 在我国目前使用的换热设备大多是2 0 世纪5 0 年代国外早期的设计结构，这 些换热器有着明显的缺点，换热效率低、阻力降大、易结垢、停工检修频繁等。 近些年来，也只是在原来的设计思想上进行了一些改进，但不变的是仍旧沿袭传 统的垂直弓形板横向流，使总传热系数k 值一直停滞在较低的水平上。 进入2 0 世纪7 0 年代后，随着石化行业技术的发展，换热设备技术也取得了很 大的进步。例如在换热设备两个传热面之一的管程采用了螺纹管、异形管、内插 物等强化措施，使管程传热有了较大的突破。但是从间壁传热原理上讲，控制一 台换热设备传热效率的是传热能力相对较差一侧的传热能力，而这一侧往往是壳 程。于是美国人发明了折流杆列管式换热设备。虽然它的轴向流动方式减少了壳 侧流体的置流、回流和死区，提高了换热系数，减少了压降和污垢，但它有一定 的局限性，在低r e 数、高粘度介质中时，很难形成卡门涡街，从而达不到高传热 效率的要求。为进一步提高换热能力，需要对壳程做一些改进，进而出现了螺旋 折流板换热器。 1 1 1 换热器的种类 换热器是指两种流体通过壁面进行热量传递的设备。 ( 1 ) 按用途可分为： 加热器把流体加热到必要的温度，但加热流体没有发生相的变化； 预热器预先加热流体，为后工序操作提供标准的工艺参数； 过热器把流体加热到过热状态； 蒸发器加热流体，达到沸点以上温度，使其液体蒸发，一般有相的变化； 北京化工大学硕士学位论文 再沸器使装置中冷凝了的液体再度加热，使其蒸发； 深冷器把流体冷却到o 以下的低温状态； 冷却器一把流体冷却到工艺要求的温度； 全凝器使凝结性气体全部冷凝为液体。 ( 2 ) 按结构又可分为： 管式换热器：包括管壳式( 分为浮头式、u 形管式、固定管板式) 、套管式和 单管式； 板式换热器：包括螺旋板式、板壳式、板翅式和平板式； 新型换热器：即各种新材料、新结构换热器。有石墨换热器、玻璃换热器、 热管换热器等。 ( 3 ) 按换热方式可分为： 坚壁式换热器。把温度不同的两种流体在被壁面分开的空间里流动，通过壁 面的导热和流体在壁表面对流，使两种流体之间进行换热。 蓄热式换热器。借助于由固体构成的蓄热体，把热量从高温流体传递给低温 流体，蓄热体与高温流体接触一定时间，接受和储蓄了一定热量，然后与低温流 体接触一定时间，把热量释放给低温流体。 流体连接间接式换热器。把两个表面式换热器由在其中循环的热载体连接起 来的换热器。 直接接触式换热器。是两种流体直接接触进行换热的设备。 1 1 2 换热器新材料2 1 由于工艺条件日趋苛刻，迫切需要一些新的材料。 在换热器制造中，由于钛具有很高的抗腐蚀性能、高的强度极限和屈服极限， 比重小，重量轻，有一定的抗污塞性，在换热器中得以应用。 不透性石墨具有优良的导电、导热性能、较高的化学稳定性和良好的机械加 工性能，被广泛用于制作传热、传质设备、反映设备和流体输送设备。换热器中 主要有管壳式和块孔式石墨换热器。近年来板式石墨换热器也得到推广。 为了改善石墨性能，采用石墨改性聚氯乙烯。聚氯乙烯具有良好的耐化学腐 蚀性能，但其导热性不好，用石墨改性聚氯乙烯，可大大提高其导热性能，用其 制作的换热器，取得了良好的效果。 以氟塑料制作的换热器由于其特别优异的耐腐蚀性，可解决许多强腐蚀性介 质的腐蚀问题而得到较为广泛的应用。另外，氟塑料换热器的管子直径很小，小 管径的管子分布在相同直径管板上的数量可以达到大直径管子数的数十倍以上； 氟塑料传热管壁很薄，通常仅在0 2 5 - - - - 0 6 m 之间，其热阻小，有利于传热系数 2 第一章绪论 的提高；氟塑料无粘性，在使用过程中不结垢，使换热器的传热系数维持稳定。 另外，在化工生产中亦开始应用复合材料制造的换热器，如：壳体为复合板 的换热器、搪玻璃换热器等等。 1 2 螺旋折流板换热器 1 2 1 螺旋折流板换热器的提出 在管壳式换热器中，折流板在管壳式换热器中起着改变流动方向和支撑管子 的作用。目的是在保持一定合理的沿程压降下，提高换热效率。传统的弓型折流 板换热器中，弓型折流板的作用是使壳侧流动成为弯曲的之字形流动，流体可以 垂直冲刷管束，强化换热。但是，这种折流板的布置形式同时也带来了很多问题。 1 弓型折流板使流体垂直冲击壳体壁面，造成较大的沿程压降； 2 折流板与壳体壁面相接处产生流动滞止死区，降低了换热效率； 3 由于制造公差的存在及安装要求，管束与壳体存在一定的缝隙，使壳侧存 在较大的旁路流动，即壳体壁面附近的切向流动，折流板与壳体壁面之间及换热 管与折流板之间存在漏流，旁流及漏流降低了有效的横掠管束的质量流速，故减 小了壳侧的换热效率； 4 质量流速横掠换热管束，可以诱导换热管的振动，缩短了换热器的寿命。 因此，采用这种传统的弓型折流板换热器，若要获得较高的换热系数，就会产生 相当高的沿程压降，即要以增加泵功消耗为代价。为了节能及节材，迫切需要改 变传统的折流板结构形式。 1 现代工业设备对热负荷的要求越来越大，这就要求安装更大面积的换热器。 可是，在现有工艺流程上增加换热器的数量，必然引起总沿程压降的增加，即需 要增大泵功消耗。在某些情况下，这种做法是不可行的。例如，对现有设备进行 改进，由于空间限制，无法安装更多的换热器；或者，泵的能力已在初始安装时 确定，没有留足够的余量。随着工业的发展，节能越来越重要，对换热器的要求 也越来越严格，希望达到要求的换热量，同时消耗较小的泵功。而对于弓型折流 板换热器，要产生所要求的换热量，必然带来相当高的压降。因此，重新考虑对 折流板的安排是必要的。 综上所述，弓型折流板换热器中，弓型折流板使流体横向冲刷管束，提高了 壳侧流体的换热能力，但是，由于流体在接近壳体壁面处的突然转向使能量损耗 迅速增大，造成壳侧的沿程压力降增大， 换热管与折流板之间漏流及死区的存在， 另外，由于折流板与壳体之间的旁流和 使其壳侧流动特性的缺点十分明显。螺 旋折流板换热器正是针对弓型折流换热器壳侧流动的缺点提出的。在螺旋折流板 3 - 北京化工大学硕士学位论文 换热器中，流体在壳侧的流动方向是连续变化的。不存在突然转向的流动，极大的 降低了流动阻力。流体与换热管有一螺旋倾角，流体螺旋状的绕过换热管柬，不 仅流动阻力小，而且不存在滞死区，流动特性的优点是显而易见的。 1 2 2 螺旋折流板换热器的优缺点 炼油厂设备大型化是提高炼油厂效益的主要途径，但其中弓形折流板换热器 大型化面临着很难逾越的障碍，即振动失效和压降大两个致命弱点，而板式换热 器防污垢沉积能力差也降低了它在炼油厂的应用效果。目前国内最大的冷换设备 面积只有1 0 0 0 - - 一2 0 0 0 m ，而国外可以达到5 0 0 0 - - - 6 0 0 0 m ，甚至更多。他们的成 功很大程度上在于采用了大量的螺旋折流板新型换热结构。它与弓形折流板的根 本区别在于折流板在壳体中结构形式的变化。弓形折流板在壳体内垂直于换热管 束，使壳侧形成若干个并列折返通道，介质急剧改变流向必然产生严重的压力损 耗，这是此类换热器能耗大的主要原因。同时在两个折流通道变向过渡区域，流 体取最短路程斜向前进，就形成一个介质相对静止的三角形区域。如图1 - 1 ( f i g 卜1 ) 所示，这部分静止流体降低了管子表面的换热能力，相当于减少了换 热面积，这也说明了弓形折流板换热器无法大幅度提高换热效率的主要原因之一。 图1 - 1 弓形折流板折流示意 f i g l - 1 b o w s h a p eb a f f l ew i t ht u r nb a c kf l o ws k e t c hm a p 螺旋折流板换热器在结构上采用若干块四分之一壳程横截面的扇形板组装成 螺旋状折流板，使介质自壳体进口向出口以双流道呈螺旋状推进，避免了大斜度 折返带来的严重压力损失，因而具有低压力降特点，故可利用不同角度调整流通 截面。介质高的传热系数来源于高r e 数，而高的流速又是提高r e 数的重要条件。 传统的弓形折流板换热器由于死区较大，速度受到极大的影响，高压力降成为它 不可逾越的障碍。螺旋折流板结构的出现改变了壳体内部结构，在保持低压力降 的前提下，大大提高了介质的流速，这样通过r e 数来达到提高膜换热系数的目的。 究其原因主要是这种螺旋结构使介质形成旋涡。从圆心向半径方向产生较大的速 度梯度，使管子表面的流体形成湍流，从而减薄边界层，利于提高换热系数。另 外，连续的螺旋支撑减小了管子间的跨距，使得管子的固有频率避开了流体的激 4 第一章绪论 振频率，避免了因共振引起的破坏。从而延长了设备的寿命，降低了维修费用。 由于流体的有效冲刷，也减少了污垢的沉积，使换热器长期运行在高效状态，达 到了节能的目的。 在我国这种新型换热器也已经受到专家的关注和认可。目前已有数十台螺旋 折流板换热器运行在抚顺石油一厂、二厂、三厂和盘锦炼油厂的催化、常减压及 焦化装置上。据统计，采用螺旋折流板换热器，换热效率都有大幅度提高。同时 由于提高了k 值，减少了换热面积，就大大减少了金属消耗，从而降低了整个设 备的投资。 但是，我们不能否认由于螺旋折流板换热器在结构上比较复杂，所以存在着 难加工和难组装的技术难题，因此在一定程度上增加了生产成本。 1 2 3 螺旋折流板的几何结构 螺旋折流板换热器突破了壳程介质“z 形折返的传统方式，采用若干块四分 之一壳程横截面的扇形板与换热管进行组装，如图i - 2 ( f i g i - 2 ) 。将安装好的折流 板与换热管装入壳体中，其俯视图如图i - 3 ( f i g i - 3 ) 所示。我们可以看出在四块 折流板中间形成一个空间，可以在此安装中心管。四块折流板的相互搭接形成双 螺旋通道，如图1 - 4 ( f i g 1 ) 所示为其中相邻的两块折流板搭接形成单螺旋通 道。这种独特的结构使介质自壳体进口呈螺旋状推进，如图卜5 ( f i g 卜5 ) 所示，图 中角a 即为文中所提到的螺旋角。 北京化工大学硕士学位论文 图l - 2 折流板与壳侧安装图 f i g l - 2b a f f l ea n ds h e l li n s t a l l i n gm a p 图1 - 3 螺旋折流板换热器俯视图 f i g l - 3h e l i c a lb a f f l e sh e a te x c h a n g e r p l a n f o r m 图l - 4 单螺旋流程立体图 f i g l - 4s i n g l eh e l i c a lf l o ws o l i dm a p 6 f，j v 第一章绪论 勺 _ - r r i 丫热心 v，、l 嗵浊k 图1 - 5 螺旋折流板折流示意图 f i g l 5 h e l i c a lb a f f l ew i t ht u r nb a c kf l o ws k e t c hm a p 7 北京化工大学硕士学位论文 1 2 4 螺旋折流板换热器的实验研究现状 螺旋折流板换热器是9 0 年代初出现的一种新型的管壳式换热器。问世虽有近十 年，对这类换热器的研究却很少见到公开报道，甚至9 8 年以后出现的文章与最初公 布的研究结果几乎相同。在美国和欧洲，有些公司已生产了螺旋折流板换热器，可是 开发这些设备的研究结果并未在公开文献上报道。 与弓型折流板换热器相同，对于螺旋折流板换热器的试验研究集中在以下两个方 面： ( 1 ) 壳侧的流体压力分布； ( 2 ) 在工业实验台及研究实验台上进行的换热及阻力性能的研究。目前公开的文 献报道的研究成果主要包括：弓型折流板换热器与螺旋折流板换热器的壳侧流动的主 要区别在于前者是流动方向与换热管轴向垂直，而后者是有一倾角，这一倾角是由螺 旋角决定的。 流动方向与换热管束的倾角直接影响着边界层厚度及其流动特性，因此，也对壳 侧换热效果产生重要的影响。文献d 1 进行了螺旋折