折流杆式换热器

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，管式换热器在能源、化工、石油等行业至今仍占主导地位1。 管壳式换热

2、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，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、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

4、，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，减小管子的跨度。 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

5、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

6、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0.40.7m/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

7、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。折流板管壳式换热器存在的前述问题都是由于折流板引起的，因此不少研究者针对折流板和折流型式进行了许多改进，其改进的目的是在满足换热的前提下，尽量减少壳侧的流动阻力。典型的折流

8、板（又称单弓板）及折流型式如图121所示。图122和图123则为改进后的折流板（又称双弓板）及折流型式，显然从定性分析即可看出改进后的换热器其壳侧阻力有所降低。此外还有所谓三弓板换热器，它们共同的缺点是制造较单弓板复杂。图121 典型的折流板（单弓板）及折流型式图122 改进后的圆形双折流板及折流型式图123 改进后的双弓板及折流型式 同样为了改善壳侧的流动和传热情况，还有所谓双壳程换热器、分流式换热器和双分流式换热器（见图124）。其中双壳程相当于两个换热器串联，但比其便宜。分流式换热器适于壳侧流量大，而又要求阻力低的情况。如壳侧流体冷凝时，当中的隔板可采用多孔板。双分流式换热器可进一步降低

9、壳侧流动阻力，而且适于温差大和管程换热系数很高的情况。它们的共同缺点也是加工制造较为复杂。 图124 壳程的型式二 折流杆管壳式换热器的结构 1. 折流杆管壳式换热器的简介 折流杆换热器（Rod baffle heat exchanger）是1970年由美国菲利浦石油公司首创的5。其初衷是为了改善折流板换热器中的流体诱导振动而设计的，其主要特点是：1）壳程不再设置折流板，而由折流杆组成的折流圈来代替折流板，既对管子起支撑作用，又对流体起扰动作用，藉以达到强化传热的目的。 折流杆换热器问世以后，其优点当时并未被工业界所认识，应用面很小。但是长期以来，美国菲利浦石油公司一直致力于折流杆换热器的结构

10、和机理研究，开发了相应的流动和换热设计程序，申请并获得了多项美国专利，并大力推广这种新型的换热装置。迄今已为世界各国提供了1000多台折流杆换热器。换热器的直径从300mm到4000mm，管束最长达25m，管型有光管和螺纹管，应用范围包括气气换热器、冷却器、重沸器、蒸汽发生器和废热锅炉等。 我国80年代初期即开始研究折流杆换热器7，1984年中国石化总公司规划设计院将折流杆换热器列为重点研究课题，由洛阳石化工程公司、荆门炼油厂、抚顺石油机械厂与华南工学院联合攻关。1987年通过了中国石化总公司专家鉴定，1988年获中石化总公司科技进步二等奖8。随后1993年在中国石化总公司技术开发中心的组织下

11、，由洛阳石化工程公司、清华大学、荆门石油化工总厂与上海异型钢管股份有限公司联合研制折流杆冷凝高效传热管9，该项目也于1996年通过专家鉴定。现在折流杆换热器和冷凝器已在石化行业获得一定程度的推广。在折流杆冷凝器的冷凝传热方面华南理工大学10和天津大学11都作了比较细致的工作。而对折流杆换热器进行系统研究的当属华中理工大学。邢华伟在他的硕士论文中详细地研究了折流杆换热器的结构对流动和传热的影响，并对水水、水蒸气、水空气、水油等各种介质的折流杆换热器进行了实验研究，给出了传热和阻力的经验公式，为折流杆换热器的设计和应用推广提供了可供参考的资料12。 近几年我国自主开发折流杆换热器的工作取得迅速发展

12、，例如华南理工大学于桂林化工机械厂合作研制的固定管板汽气式折流杆换热器已生产数百台，应用于60多个工厂。从90年代开始，华中科技大学（原华中理工大学）已和华电集团茂港电力设备厂合作在我国电力行业大力应用和推广各类折流杆换热器达数百台，取得显著的经济效益。与此同时我国也在引进菲利浦公司的大型折流杆换热器，抚顺市机械厂还引进生产线和技术。因此从发展的趋势看，折流杆换热器在逐渐被人们认识的同时，也将逐步取代折流板换热器。 2、折流杆管壳式换热器的结构特点折流杆换热器的核心部分是由一系列焊有折流杆的折流圈组成折流圈笼。图125为折流圈的示意图。图126则为折流圈笼和管板的组装图。图125 折流圈的示意

13、图1壳体； 2折流圈； 3折流杆dbi、db0、d0分别为折流圈的内径、外径和壳体内径 图126 折流圈笼和管板的组装图从以上两图可以看出折流杆是均匀地焊在折流圈上，每一个折流圈侧相隔一定的距离，按一定排列分别焊接在拉杆上，从而形成一个折流圈笼。折流杆可以是圆形、方形或长方形。通常相邻两个折流圈的折流杆其方向是互相垂直的，即如果前一个折流圈的折流杆是垂直布置的，则后一个折流圈的折流杆就为水平布置。传热管穿过折流圈时可以有不同的情况，例如可以是两根折流杆中间夹一根传热管子，也可以是两根折流杆之间夹两根传热管。而且前后折流圈的折流杆与传热管之间也可以有不同的组合情况。例如前面折流圈的折流杆是水平地

14、支撑第1、3、5-排传热管，随后一个折流圈的折流杆则是垂直地支撑第2、4、6-排传热管，然后依次交替布置。当然也可以有其它的组合和布置方式，但不论何种布置方式都必须保证每根传热管能被四个折流圈的四根折流杆从四个方向将其牢牢固定。折流圈中的折流环可以用圆杆、方杆或方条制作，其内径等于管束的外径，其外径则等于壳体内径减去TEMA等设计标准所规定的间隙。折流环的形式有杆式、板式和带式三种。其中板式折流环的径向厚度大于纵向厚度，而带式折流环的径向厚度小于纵向厚度。推荐的折流环的型式、尺寸和拉杆尺寸见表121。 表121 折流环的型式、尺寸和拉杆尺寸壳 径（mm）折流环形式折流环尺寸（mm）拉杆数目拉杆

15、尺寸 <457 457914 9151473 14741829 18302134 21352749 27503948圆 杆圆 杆圆 杆方 板方 板方 板方 板××××44466810×××××××从表31可知：对于直径小于1500mm的壳径，推荐采用杆式折流环结构。对于浮头式管束和其它管束，直径大于1500mm者，推荐采用板式环，在需要更换管束而又必须布置更多换热面积时，推荐采用带式环。折流圈之间的间距需根据换热器的结构、壳侧工作流体的性质，有无相变以及壳侧和管侧换热系数之比等诸

16、多因数决定。显然折流圈距的大小对管束振动、压降大小均有直接影响。间距小则有利于防振和强化传热，但流动阻力会有所增加。此外前述折流杆和传热管之间的组合方式对壳侧防振、传热和流动阻力也有很大影响。它们都是折流杆换热器能否达到最佳性能的关键因素。在折流杆换热器的壳侧入口，为了降低入口接管引起的压降以及避免安装防冲击板而引起布管数减少，通常都采用外导流筒结构，只有在特殊情况下（例如老换热器改造，壳体需保留不变，只将原折流板的换热器芯更换为折流杆型式时）才采用内导流筒结构。中国石化洛阳化工工程公司和淮南市东风化工机械厂还联合提出了一个有关浮头式折流杆换热器的行业标准14，该标准规定了浮头式折流杆换热器及

17、冷凝器的规格、结构特征、技术条件等。适用于气气、气液、液液换热器及汽相冷凝过程，换热管可为光管或螺纹管。折流杆换热器公称设计压力为1.6,2.5,4.0MPa三个压力等级，折流杆冷凝器则只有前两个压力等级。设计温度200，最低使用温度-20，最高使用温度400。换热器的规格和排列形式为：19×2，管心距25mm，正方形排列；25×2.5，管心距32mm，正方形排列。换热管长均为6m。折流圈间距，浮头式折流杆换热器为100，150mm两种；冷凝换热器为150，200mm两种。其它厂家和单位也提出过类似的企业标准，但由于管壳式换热器应用很广，使用条件差别太大，显然上述标准还远远

18、满足不了实际需要，还需进一步修改、完善、补充和发展。3、折流杆管壳时换热器的优点从前述折流杆的结构特点可知与折流板换热器相比，它有以下优点：1） 由于壳侧流体是纵掠管束，防止了诱导振动的产生，提高了换热器的安全性。2） 大大减小了壳侧流体的阻力，降低了管侧的泵功，节约能源。3） 由于折流杆增强了流体的扰动，减少了横掠管束时的流动死区和漏流损失。从而强化了壳侧的换热，即壳侧的换热系数不但不低于横掠时换热系数，而且视壳侧介质、流速以及有无相变等情况，传热系数反而可提高15%50%。4） 减少了污垢的沉积和腐蚀的产生，提高了换热器的使用寿命。 三 折流杆管壳式换热器的实验研究 1、实验研究概述 对于

19、折流杆管壳式换热器，由于其结构型式多样、流动复杂，目前理论计算还有困难，实验就成为研究的主要手段。华中科技大学热工研究室从90年代初开始对折流杆换热器进行了一系列的实验研究，其研究内容包括：1） 对不同的传热介质（水水、水水蒸汽凝结、水油、水空气等）测试了折流杆换热器的流动和传热特性；2） 研究了折流圈间距大小对折流杆换热器流动和传热性能的影响，包括等间距和不等间距的情况；3） 研究了不同折流杆形状（包括圆形杆、方形杆和长方形杆）对折流杆换热器流动和传热的影响；4） 测试了不同管子布置方式下（正方形布置、三角型布置）折流杆换热器的传热和阻力特性；5） 研究了折流杆和管子间不同的组合方式（例如四

20、杆夹一根管、四杆夹两根管等）对折流杆换热器流动和传热的影响。 从实验研究得到如下的结论：1） 无论何种结构型式的折流杆换热器当用于不同的传热介质时与折流板换热器相比其传热和流动性能均有改善，即传热系数都有所增加，流动阻力均有较大幅度的降低。但对不同的传热介质，改善程度的差别很大。例如对水水折流杆换热器和水蒸汽凝结折流杆换热器相对于折流板换热器而言，前者传热系数的增加程度远高于后者。除了与传热介质的性质有关外，与折流杆的结构型式也有很大关系。2） 折流圈的间距和折流杆与管子间的不同组合方式是折流杆换热器最重要的结构参数，它们的变化直接影响传热系数和壳侧流动阻力的大小。必须针对折流杆换热器的具体情

21、况精心设计。一般而言 ，折流圈间距减小壳侧换热系数相应增加，流动阻力也会相应增加。因此在阻力允许的情况下，为了满足传热要求，可适当缩小折流圈间距。例如在折流板换热器改造时，用户往往要求原来壳体不变，只换一个新的折流杆的芯子，此时因为采用内导流筒，而且折流环有一定宽度，从而会使布管数目比原来数目有相当的减少，换热面积不够，此时减小折流圈间距是保证传热量的唯一可行办法。当然，折流圈间距减小，折流圈数目增多，制造成本会相应增加一些。3） 沿换热管长度方向等距离布置和不等距离布置折流圈，在折流圈平均距离相当的情况下，换热和阻力的情况差别不大。但对某些情况不等距布置折流圈比等距布置折流圈有利得多。例如对

22、于电厂的低压加热器，由于是立式的蒸汽冷凝器，在传热管上部冷凝液膜很薄，下部冷凝液膜较厚，因此若上部折流圈布置很稀，下部布置较密，而且越接近底端，折流圈间距越小，这样不但上部空间蒸汽流动阻力很小，有利于保证一定的真空度；而且下部折流杆对液膜的扰动又极大的强化了传热。正是采取了这一措施，笔者在多座电厂成功地将200MW的折流板式低压加热器，在壳体和进出口接管不变的情况下，改造为折流杆式的低压加热器，而且是将原来的铜管改为不锈钢管。改造后的低压加热器完全能够满足要求。如仍采用铜管的话，加热后的给水温度可比原折流板式低压加热器提高5。另外，对粘性流体在温降很大的情况下，采用不等距的折流圈布置方式也是有

23、利的。4） 折流杆的形状，如圆形、方形、椭圆形等对流动和传热影响不明显，因此通常为加工方便，采用圆形折流杆即可，因为可以利用市场上购置的圆钢直接作折流杆。5） 由于是纵掠管束，所以正方形和三角形的布管方式对流动和传热的影响不大。虽然三角形布置可以在相同壳体直径下安排更多的换热面积，但对折流杆换热器而言，采用三角形布置后，其加工制造要困难的多，因此一般情况下多采用正方形布置。即便对于折流板换热器的改造，改为正方形布置后，布管数目虽然减少，但由于总传热系数增加，在壳体直径不变的前提下，仍能满足原来的换热要求，只有在极个别情况下才考虑采用三角形布置。6） 折流杆和管子间的不同组合方式对流动和传热均有

24、较大影响，它们之间的关系比较复杂，需根据换热器的具体结构（如长度和直径），传热和流动要求及制造加工成本来求得一种最佳的组合方式。7） 按照折流杆换热器的结构特点，由于折流环内外径之差，在壳程会形成一个最大的流通截面Amax和一个最小的流通截面Amin，显然Amin/Amax与折流环的内外径之差有关，因此壳侧流体每通过一个折流环就会形成一次节流，这种节流引起的扩缩流也和折流杆形成的绕流一样能显著地强化壳侧的换热，特别当壳体直径小于400mm时，这一影响通常都必须考虑。而且Amin/Amax越小，折流圈数目越多，扩缩流的影响就越大，但壳侧的流动阻力也会相应增加。此外换热管长Lt与折流环外径db0之

25、比Lt/ db0对壳侧的换热也是有影响的，特别是当Lt/ db0比较小时更是如此。 2、实验装置和系统为实验研究，我们专门加工了两台换热器，其换热器芯可以方便的抽出，并根据实验需要进行改装，两台实验换热器的结构尺寸如表122所示。 表122 实验换热器的结构尺寸 项 目 换热器 1 换热器 2公称直径（mm）管程数管外径（mm）管内径（mm）管间距（mm）换热管长（m）传热面积(m2)折流环外径（mm）管程流通面积(m2)壳程最大流通面积(m2)壳程最小流通面积(m2)折流圈间距(mm)2732252032250 80 , 100, 1201592161221144 80 , 100, 120

26、实验介质为：水水， 水蒸汽， 水空气， 水油实验系统：对水水系统，热水由电加热水箱被泵至稳压筒，经流量计后进入管程；冷水则由冷水箱被泵至稳压筒后进入壳程，再经流量计后排入地沟。在水空气系统中，热水和水水系统一样走管程，来自压缩机的空气经稳压筒后送入壳程，经测速后排入大气。水蒸汽系统中，来自锅炉的蒸汽经测温测压后进入壳程，经凝结后，凝结水进入凝结水箱再被送回锅炉。冷水和水水系统中的冷水一样走管程。对于水油系统，冷水仍和水水系统中的冷水一样走管程，而油在电加热油箱中被油泵送至壳程，实验中油采用10号汽机油。3、实验结果对于折流杆换热器而言，其管程换热和流动情况和折流板换热器是一样的，因此实验的目的

27、主要是从测出的总传热系数分离出壳侧的换热系数并测出壳侧的流动阻力，同时寻找换热系数、流动阻力和折流杆换热器结构之间的关系，获得的部分结果如下：1） 对于水水系统当折流圈的间距Lb=80mm时，将实验数据进行回归整理后，对壳侧的换热系数得到如下经验公式： （121）当折流圈间距Lb=100mm时，相应的经验关系式为： （122）当折流圈间距Lb=120mm时，由实验结果获得壳侧换热的经验公式为： （123）对不同的折流圈间距Lb，壳侧的流动阻力如图127所示。从图上可以看出随着Lb的减小，流动阻力相应增加。图中Rep为按（1225）式计算的水力特征尺寸。 图127 壳侧水的流动阻力与折流圈的间距

28、Lb的关系2） 对于水油系统当折流圈的间距Lb=80mm时，由实验结果得到的壳侧换热系数的经验关系式为 （124）当折流圈间距Lb=120mm时，由实验结果得到的壳侧换热系数的经验公式为 （125）Lb为80mm和120mm时，水油系统壳侧的流动阻力如图12-8所示。图12-8壳侧油的流动阻力与折流圈的间距Lb的关系3. 对于水蒸汽系统当折流圈间距Lb=80mm时，由实验结果得到的壳侧换热系数的经验关系式为 （126）4. 对于水空气系统当折流圈间距Lb=80mm时，由实验结果得到的壳侧换热系数的经验关系式为 （127）在上述经验公式中，Re准则中的速度取壳侧的最大流速。四、与折流板换热器的比

29、较为了便于与折流板换热器进行比较，选用圆缺面积为25%的单弓板换热器计算壳侧的换热，准则式采用文献15中的（535）式，因为该式的形式与推荐公式的形式类似。对折流杆换热器壳侧的计算则采用经验公式。对水水系统，计算得到的换热器壳侧的综合性能评价，即换热系数h和压降P之比见图129，图1210及图1211。从图上可知，在相同流量下折流杆换热器的综合性能h/P比折流板换热器提高15倍。图中(h/P)1为折流板换热器的综合性能，(h/P)2为折流杆换热器的综合性能。图129 折流圈间距Lb=80mm时，综合性能比较 图1210 折流圈间距Lb=100mm时，综合性能比较 图1211 折流圈间距Lb=1

30、20mm时，综合性能比较四 折流杆管壳式换热器的应用1、壳侧换热系数的确定折流杆管壳是换热器热力设计的关键是确定壳侧的换热系数和流动阻力。参考文献1617都曾对此进行过研究。其实验参数范围见表123。表123 折流杆换热器的实验参数范围试 验 参 数范围雷诺数普朗特数粘度比折流面积/壳体面积泄漏面积/壳体面积长径比3001500000.7245对换热系数其推荐的计算公式为：层流 （128）湍流 （129）式中系数CL和Cr 为与折流杆换热器几何结构有关的系数。笔者根据实验结果以及其后某些折流杆换热器的工业测试数据，发现壳侧换热系数在Re=3600附近有较大的变化。因此参照上述公式，提出如下计算

31、折流杆换热器壳侧换热系数的经验公式当Re<3600时 （1210）其中 （1211） 当Re3600时 （1212）其中 （1213）上述诸式中，式（1211）和式（1213）实际上分别是流体纵掠管束无折流杆时，壳侧在层流及湍流状态下的换热系数的计算公式，db0为折流环外径，Lt为换热管长，fW和w则为与折流杆换热器几何结构有关的修正系数。从前面分析可知加装折流杆后，影响传热的主要因素除折流圈的间距Lb外，还有Amin/Amax和Lt/ db0。因此修正系数fW和w也应和这三个因数有关，可以写成：1 （1214）（其中 ； 9 （1215）其中 ； ； 根据实验和工业试验数据有如下经验关

32、系式可供参考：（1216） （1217）上两式中，n为折流圈的数目； L为折流圈的间距（以mm计）（ （1218）（ （1219）上两式中，ffwe1 （1220） （1221）上两式中，2、壳侧流动阻力的确定在计算壳侧流动阻力时，文献16曾将壳侧压降分为两部分即 （1222）其中PL为无折流圈时，沿管束纵向流动的压降，Pb为加装折流圈引起的压降，前者类似于直管内的流动压降。后者则按局部压降计算，并引入一个和折流杆换热器结构参数有关的局部阻力系数。笔者也采用类似的方法，即认为折流杆换热器的总压降可表示为 （1223）式中，Ps为壳侧进出口接管内的流动压降。显然Ps的计算公式和折流板换热器一样，

33、PL类似于直管内的流动压降，均较容易计算。例如可以采用文献1和文献15中的推荐公式。根据实验结果和工业测试数据，对于折流圈降压我们推荐如下的计算公式，即 （1224）式中，Kb为折流圈的局部阻力系数；nb为折流圈的数目；为工作流体密度，u为纵掠最大流速。为反映传热管径和管子排列方式对压降的影响，我们如参考文献6一样，采用dp作水力特征尺寸。即 （1225）式中，d0为壳体内径；nt为管子数目；d为管子外径。实验发现，按u和dp计算的Re=ud/=7000时流动压降发生明显变化，为此我们Rep=7000作为计算时的分界线。当<7000时 （1226）式中， （1227） （1228） 当时

34、 （1229）式中， （1230） （1231）上面诸式中， ； 3、应用举例折流杆换热器的应用日益广泛，目前它主要用在三方面：油水换热设备，其中油或油蒸汽走壳程，包括换热器和冷凝器；水蒸汽水换热设备，其中水蒸汽在壳侧凝结；水水换热设备。1 油水折流杆换热器18这种换热器在石化行业应用最多。表124为在荆门炼油厂常减压装置的底油上对单弓折流板换热器与折流杆换热器进行工业对比实验所获得的结果。从表上可以看出折流杆换热器的各项性能指标明显优于折流板换热器。表124 两种油水换热器工业试验结果对比表设备名称折流杆换热器单弓折流板换热器热负荷 kW换热面积 m2换热强度 kW/m2总传热系数 W/m2

35、.K壳程总压降 kPa4786.3336同样在荆门炼油厂的常减压装置上对两种塔顶油气冷凝器也进行了工业对比试验，试验证明一台217m2的折流杆冷凝器顶替了两台180m2的普通弓形板冷凝器，既节约了投资，又满足了工艺过程对压降的要求。2水蒸汽水换热器 这类换热器在电厂和采暖行业用得很多，通常是用蒸汽凝结来加热给水。笔者和华电集团茂港电力设备厂合作为国内15座电厂更换了26台低压加热器。这些低压加热器大多数是为200MW发电机组配套的。所谓更换是在保持壳体及进出口接管不变的情况下，用折流杆芯体替代原来的折流板芯体。根据电厂的要求，其中绝大部分都是采用钢管或不锈钢管来代替原有的铜管。由于壳体不变，又

36、需改用铜管，从传热过程分析可知，一侧为蒸汽凝结，一侧为强制对流，换热系数均很高，因此管壁的热阻就是一个重要因素。铜管改用钢管后，管壁热阻大大提高，因此更换工作的难度很大。但由于折流杆换热器本身的优点，以及我们在折流圈间距、折流杆布置等结构方面进行了不断的改进和试验，使上述低压加热器的改造均非常成功。1999年广东韶关电厂曾请广东省电力试验所对该厂#8汽轮机组经过更换后的#4低压加热器进行了性能测试，测试结果证明，在壳体不变的情况下，用折流杆代替折流板，且将原锡黄铜换热器改为锅炉用无缝钢管的改造工作是完全成功的。在机组带满负荷时各项指标都能满足有关技术要求19。3水水换热器水水换热器是应用广泛的

37、另一类换热器。例如用海水或河水将各种工业设备冷却水冷却后再使用，用高温热水加热生活用水或采暖用水等。笔者和华电集团茂港电力设备厂合作也为电厂和采暖行业提供了一批水水折流杆换热器，其中有特色的工作是为华能汕头电厂提供的300MW发电机组的折流杆式的闭冷气（海水冷却器）。华能汕头发电厂2号机闭冷器的设计参数如表125所示。改造前后闭冷器的主要参数见表126。表125 汕头发电厂2号机闭冷器的设计参数设计参数闭冷水（设备冷却水）循环冷却水（海水）工作压力（MPa）设计压力（MPa）出口温度（）闭冷水量（m3/h）352600323700 Ererjdkjjk 表126 汕头发电厂2号机闭冷器的主要参

38、数结构参数改造前改造后型号型式台数运行台数外形尺寸换热面积闭冷水流量海水流量O-760铜管折流板式2台/机2台/机95401200mm760m2/台1300m3/(h·台)3700m3/(h·台)OBLQ-1000钛管折流杆式1台/机1台/机95151495mm954 m2/台2600m3/(h·台)3700m3/(h·台)表折流杆闭冷器换热管为22×0.6钛管，采用正方形排列，固定管板结构。管间距27.5mm，管子总数为1992根，折流圈数为32个。广东省电力试验所对该台闭冷器进行了测试和评价，其主要结论为20：1） 壳侧压降为0.11MPa

39、，在流量远大于原流量时仍小于改造前的压降；2） ，而改造前两台闭冷器投入使用，冬天端差13，夏天端差约45均不能满足电厂的要求；3） 实测换热系数为29003230W/(m2. ),远高于改造前的值，运行10个月后，污垢热阻仍很小；4） 换热器无原有的振动噪声，说明传热管无振动，运行10个月后，没有发现洩漏现象；5） 改造前两台折流板式闭冷器需6400m3/h的循环水量，改造后仅需4450m3/h，节约1950 m3/h水量，相当于循环水泵节电325kW，全年可节约厂用电250万度，节约电费50万元；6） 由于改造后解决了闭冷器换热管断裂问题，每年可节约检修及换管费50万元。6量4的除了以上应

40、用外，折流杆换热器在用作压缩机级间冷却器上也取得很好的效果。通常N2、H2、CH42221。8）4、折流杆换热器应用中应注意的问题 根据折流杆换热器的原理和结构，原则上讲折流板管壳式换热器都可以用折流杆换热器改造，但在应用时仍有许多技术问题应予以充分重视。在壳体不变，只换换热器芯时，遇到的问题通常有两个，一个是由于折流环有一定的宽度，它将占据一部分布管圆的面积，因此一般讲改为折流杆芯后，其能布置的换热面积将比原面积少。因此在设计折流杆芯时应仔细核算，即折流杆所增加的壳侧换热系数，能否补偿传热面积的减少。此时必须根据壳侧、管侧工作流体的情况计算出传热系数的变化情况，同时核算换热面积的裕量，以免工

41、况变动时换热器不能满足要求。如若不能补偿，就必须调整折流杆芯的结构，如减小折流圈的间距，改变折流杆和管子之间的组合方式，减少折流环的宽度或采用其它形状的折流环，以增加布管圆的面积等。在作出上述改造后，壳侧的流动阻力亦将会有所改变，因此对壳侧的阻力也需进行校核。另一个问题是，壳体不变而更换管芯时，通常纵掠时的流速会远低于有折流板时的横掠速度，按上述纵掠流速计算出的壳侧换热系数以及整个换热器的传热系数，在某种情况下，如对油水冷却器，将达不到设计要求。（当然对新设计的折流杆换热器是不存在这一问题的，因为可以用缩小壳体直径来提高纵掠流速。）此时必须采取一些措施来提高纵掠流速，例如采用隔板或增设假管都是

42、有效的办法。注意壳侧流体有无相变是在应用折流杆换热器时应关心的另一个重要问题。例如对蒸汽凝结而言，就有一个凝结液膜减薄和凝结液及时排出的问题，此时立式冷凝器和卧式冷凝器又有很大的差别。对立式冷凝器利用折流圈的设置、间距以及折流杆与管子的组合方式来减薄液膜，并顺利洩出冷凝液是提高性能的关键。对卧式冷凝器在下部增设洩液隔板也是有效的措施。对蒸发器也必须根据具体情况采取不同于无相变时的结构和布置，才能取得强化传热的效果。5、折流杆换热器的展望目前在管壳式换热器的发展中，越来越多的研究者注意到折流板引起诱导振动的缺陷，都倾向将原来壳侧横掠流体改为纵掠流体。例如有学者研究所谓螺旋隔板，即将原来的壳侧支撑

43、管子的横隔板改为螺旋形隔板，壳侧流体在纵掠管束时将形成螺旋流，藉以 增强壳侧的传热。但由于在主流方向上形成螺旋流，其壳侧阻力增强很多，而且主流旋转强化传热的效果不如分散的小扰动强化传热的效果好。笔者在研究小扰动强化传热时，曾用实验证实了这一点。相反另一种将横掠流体改为纵掠流体的方式却显现出巨大的优越性，这就是本书10章介绍的交叉缩放椭圆传热强化管以及第11章中介绍的某些异型管。例如螺旋椭圆扁管等，它们依靠管外缘的螺旋线的点接触相互支撑，而无须另外的支撑件。当流体纵向掠过管束时，在壳侧管道之间的流道或呈缩扩形，或呈螺旋形，流体流过时换热将得到强化。另外对管内流体而言，这种交叉缩扩形或螺旋形流道也

44、使管内换热得以强化，因此其传热效果远较普通折流板管壳式换热器好。它们也是折流杆换热器的强劲竞争对手。目前折流杆换热器的发展趋势是在采用折流杆的同时，广泛采用各种强化传热管。如对无相变的折流杆换热器，多采用螺纹管和波纹管。对有相变的折流杆换热器则采用高效冷凝传热管或高效沸腾管。这样的改进方式既保持了折流杆换热器的优点，又大大地强化了传热。表127是笔者在长岭炼油厂参加的对波纹管折流杆换热器和波纹管弓形板换热器所作的工业试验的部分试验结果，从对比结果可以看出，波纹管折流杆换热器有很大的优势。表127 波纹管换热器工业对比试验结果换热器类型波纹管折流杆换热器波纹管三弓板换热器管程介质壳程介质热负荷 kW换热强度 W/m2纵传热系数 W/m2.K管程阻力降 kPa壳程阻力降 kPa常三线油原油1796203019955225553816159常三线油原油10504114772020305325表128是笔者在荆门炼油厂参加高效冷凝管折流杆冷凝器和光管折流杆冷凝器的工业对比试验的结果。对比结果显示同为折流杆冷凝器，采用高效冷凝管后其性能指标更加先进。表128 折流杆冷凝器的工业对比试验冷凝器类