1、折流杆换热器的设计制作摘要：折流杆换热器是一种高效能换热器，与传统的折流板换热器相比，传热效率高、壳程压降低和防振效果好，清洗维护周期长，使用寿命长，具有良好经济效益，正在被逐步推广应用，市场应用前景广阔。但它的强化传热作用有一定的限制范围，最佳强化效果是气与水之间的换热。本文就折流杆换热器的设计、制作工艺进行简述，旨在能更好开发和应用折流杆换热器。 关键词：折流杆换热器，设计 ， 基本结构，强化传热 ， 制造工艺 Abstract: the baffle stem heat exchanger is a kind of high efficient can heat exchanger, a
2、nd traditional baffle plate heat exchanger, compared to heat transfer efficiency, process pressure reduction and shell anti-vibration effect is good, cleaning maintenance cycle is long, long service life, has the good economic benefit, is being gradually the promoted application, the market broad pr
3、ospect of application. But its heat transfer enhancement effect to have certain restriction limits, best the strengthening effect is gas and water of heat transfer between. This paper baffle stem heat exchanger design, production process this, to better development and application baffle stem heat e
4、xchanger. Keywords: baffle stem heat exchanger, design, basic structure, strengthen the heat transfer, manufacturing process 中图分类号： TM925.61 文献标识码： A 文章编号： 1 前言 我厂承接河池化工股份公司脱硫系统技术改造工程中的折流杆碱洗气水冷器设计、制作，该设备壳程设计压力 2.1Mpa，设计温度 100，介质为碱洗气；管程设计压力 0.41Mpa，设计温度 50，介质为水。折流杆换热器在国内的应用较少，由于其换热过程极其复杂多变，目前设计无任何标准、
5、规范可遵循，也没有可供设计使用的计算公式和图表。我厂的设计是遵循对于不能用标准来确定结构尺寸的受压元件，按GB150钢制压力容器规定中的“用可比的已投入使用的结构进行对比经验设计” 。 参照用户原使用的旧设备，在设备使用成熟的结构基础上，通过查阅国内外有关设计制作资料，弄清了其强化传热原理，参照设计制作的，并进行了改进，换热管采用不锈钢螺旋槽管，换热效果更好。该设备已经在实际应用中得到了证实，性能指标达到使用要求，传热效果明显，运行状况良好，安全可靠。现就该设备设计、制作进行总结。设备结构如下图： 折流杆换热器结构简图 2 折流杆换热器的设计 2.1 折流杆换热器的基本结构 折流杆换热器实际上
6、也是一种管壳式换热器，它的结构与普通管壳式换热器类同，只不过将折流板改为折流杆，因而取名折流杆换热器。折流杆换热器中的折流组合元件称作“折流栅” ，折流栅由折流杆和圆环组成。一般折流杆都采用圆钢制作，折流圆环采用板式，环上开定位杆预留孔，其结构如右下图。折流杆换热器管束的固定是采用交错折流杆来实现的，靠相邻两个折流栅的折流杆相互垂直，保持一定的间距来保证换热管的牢固稳定，并起到主要的“管外”强化传热作用。普通管壳式换热器则采用折流板来固定管束和改善流体运动状态，从而达到强化传热的目的。 2.2 折流杆换热器的强化传热及防振原理 折流杆换热器与普通的管壳式换热器相比，有较好的传热性能。通过壳程中
7、相邻折流栅上的折流杆彼此交错的方式来固定管束和改善介质的流动状态，当流体介质通过折流杆和折流栅上圆环处，将会分别发生涡流流动和文丘里效应，使壳程流体介质获得良好的紊流状态，并能沿列管束延伸方向流动(即沿着管束平行流动)，壳程压降明显降低，实验数据表明，在同样换热负荷下，壳程降压可达到折流板式换热器的4060。而且换热管内外介质分别沿管的轴向互相逆流，因而获得良好的传热性能。普通管壳式换热器采用折流板固定管束，其介质流动情况分主流区、顺流区及涡流区，流体在涡流区原地旋转或静止不动，称“传热死区” ，在该区设备换热能力的 2530%没有得到充分发挥。折流杆换热器基本消除了普通管壳式换热器通常存在的
8、“传热死区” ，因而设备换热面积可提高 2530%，总传热效率约为折流板式换热器的 2 倍。 折流杆换热器由于交错折流杆对管束的牢固稳定作用，壳程允许有较高流速的介质流动，流速提高，就可改善壳程中经常出现的油污附着列管外表面和杂质沉积等对传热不利的现象，结垢率低，清洗维护周期可延长。壳程介质的流速是一个关键参数，流速过低，强化传热效果明显下降。本设备的使用工况，壳程介质为气体，流速为 520（m/s） ，管程介质为水，流速为 0.53（m/s） ，其壳程、管程的流速控制在一定范围内，传热效果较好。 普通管壳式换热器采用折流板固定管束，这种结构的管束，易发生振动破坏。据试验，这种破坏主要是折流板
9、跨距过大和流体流速过高引起的，其振幅是折流杆换热器的十倍。折流板换热器为了减轻振动破坏，若采取减小折流板跨距，就会增加折流板块数，从而增加壳程阻力，增加能耗，增大传热死区，有效传热面积即减少。折流杆换热器管束固定是采用折流杆的横竖交错布置使每根换热管都被 4 根折流杆圆钢在上下左右 4 个方向夹持着，这样的方式能较好地减轻诱导振动，保证管束的牢固稳定；减少管束、管壁磨损和管子与管板联接处的应力及疲劳损坏，延长设备的正常使用寿命。 2.3 换热面积的确定 通过上述强化传热原理及设备在实际应用中的实践检验，折流杆换热器强化传热的综合性能是普通管壳式换热器的 2 倍，即在同样换热负荷下，换热面积减少
10、 50%60%；经有关专业资料总结，如果采用不锈钢螺旋槽管，换热面积可比采用不锈钢光滑管的换热面积减少 30%40%。本设备设计改进后换热管采用不锈钢螺旋槽管。 因折流杆换热器换热过程极其复杂多变，折流杆换热器换热面积目前还没有完全适用的计算方法，原则上以实验结果和实际应用经验相结合的方法。通常采用完全套用法（即采用工况条件完全一致时所用的换热面积） 、经验换算法（即按普通管壳式换热器的换热面的 50%60%计算）、套用实验数据法（即对某些特定的介质，采用经测定的总传热系数 K，通过热负荷 Q 和平均温差 tm 计算换热面积 F） 。本设备因工况条件与原旧设备完全一致，因此采用完全套用法，即根
11、据原使用设备的实际应用，按原设备的换热面积 F=698 m2；由于设计经改进后换热管采用251.5 不锈钢螺旋槽管，换热面积可减少 30%，因此又结合经验换算法，确定本设备换热面积取原设备的换热面积的 70%，即 F=798 m270%=558 m2，换热面积减少 240 m2，换热管根数比采用光滑管减少446 根，材料成本降低，传热效果却更好。 2.4 主要受压元件管板厚度的确定 由于折流杆的固定作用好，管束的振动大为降低，因而管板厚度可采用较薄板。又根据 GB150钢制压力容器1.4 条规定，对于不能用本标准来确定结构尺寸的受压元件，允许采用“用可比的已投入使用的结构进行对比经验设计” ，
12、因此本设备管板厚度参照原设备的管板厚度定为60 mm。其余管程封头及管箱、壳程壳体厚度按设计压力、设计温度及选用材质进行强度计算；法兰按相应法兰的温度压力等级标准选取。 2.5 几何尺寸。 （1） 、折流杆换热器的几何尺寸对其综合性能影响极大，换热管长度与管束直径比控制在 812 范围内，折流栅彼此间距控制在 150 mm，获得的综合性能最佳。折流栅的圆环采用板式，厚度为 12 mm，折流杆的直径一般为 512 mm，折流杆长度根据折流栅圆环尺寸裁定。同一折流栅上的折流杆应互相平行焊接固定在折流栅上，要注意的是每相邻两折流栅上的折流杆应该是互相垂直的，才能起到固定管束和改善介质的流动状态，取得
13、明显传热效果。 （2） 、由于折流杆换热器的特殊结构，列管在管板上的布置均为正方形排列，本设备根据换热管外径为 25 mm，管中心距为 32 mm，选直径为 6 mm 的折流杆，即能稳定管束，且满足管中心距大于等于列管外径和折流杆直径之和。 （3） 、如果换热器壳体与折流栅的环缝间隙过大，将影响换热管束的稳定，诱发振动而导致设备损坏；间隙过小则壳体不能顺利通过管束影响组装。折流栅圆环外径取小于壳程壳体内径 10mm，与壳体间隙较合适，符合 GB151-1999管壳式换热器的规定。 3 制造工艺 由于折流杆换热器结构的特殊性，制作过程中的组装好坏关系到换热器的正常使用寿命，其组装特点是折流杆与折
14、流环的组焊在穿换热管过程中进行，组装后所形成的管束结构以 4 个折流栅为一组来看，折流杆的横竖交错布置使每根换热管都被 4 根折流杆圆钢在上下左右 4 个方向夹持着，以这样的方式来起到防振的作用。组装包括 3 个关键步骤：折流环和管板的定位；折流栅的组装；管束的组装。 3.1 折流环和管板的定位 为了穿换热管时管板和折流环能固定不滚动，不影响组装，在组装前先用槽钢做一个简单定位架，将管板和折流环按设计距离垂直摆立在定位架上。定位架的长度和间距根据换热器的规格大小来定，定位架要平整，以便管板和折流环在定位架上放置后稳定且平整，有利于穿管和后面调两管板的不平度。 3.2 折流栅和管束的组装 折流栅
15、的折流环和折流杆不能先组装好，否则就同折流板式换热器一样了，甚至比折流板更难穿管，稍有一点偏差就会穿到旁边的孔上。折流栅的折流环和折流杆应在穿管过程中组装，而且同一折流栅上的折流杆应互相平行，相邻折流栅的折流杆横竖交错布置，符合这一组装要求，才能使这种换热器在使用过程中充分体现它的优点，而且既能使折流杆与管子的间距接近最小，起到夹持换热管达到防振作用，又能在穿管过程中省时省力。 3.3 管束组装 将有拉杆孔的管板放在定位架上，将拉杆装进该管板上，再将定距管套在拉杆上，按图纸距离要求套一组定距管然后穿一块折流环，如此反复将定距管和折流环都安装好，用螺母拧紧拉杆和折流环。在定位架上将管板、拉杆、定
16、距管和折流环都安装完毕后，开始穿最外圈换热管，在已穿好的外圈换热管间焊折流栅上的折流杆。从已经固定的管板这端起，在第 1、2 块折流环上焊接竖直垂直地面的折流杆，在折流栅同一横排上每隔两根换热管焊一根竖直折流杆，即第 1、2 块折流环的折流杆要错开一根换热管焊接固定，第 3、4 块折流环先不焊折流杆(留后面焊)，第 5、6 块折流栅与第 1、2 块组焊相同，第 7、8 块与第 3、4 块一样，暂时也不焊，依此类推，将全部折流栅组装好。垂直方向的折流杆焊接完毕后，在最底部的横排换热管上表面水平放一根折流杆，并且分别焊在第3、7、11、15、19、23、27、31 折流环上。这些折流杆焊好后，开始
17、穿其余的换热管。 换热管在管板上的布置是正方形排列的，穿管时要按一定的顺序，这样既不会使一些孔漏掉不穿，也不会漏焊折流杆。按竖起的管板，从下向上以一横排为一组穿换热管，穿完第 1 排后，在这些换热管上表面水平放一根折流杆分别焊在第4、8、12、16、20、24、28、32 折流环上；再穿第 2 排换热管，而后在第 2 排换热管上表面水平放一根折流杆分别焊在第3、7、11、15、19、23、27、31 折流环上；再穿第 3 排换热管，并在第3 排换热管上表面水平放一根折流杆分别焊在第4、8、12、16、20、24、28、32 折流环上；再穿第 4 排换热管，并在第4 排换热管上表面水平放一根折流
18、杆分别焊在第3、7、11、15、19、23、27、31 折流环上。如此反复进行，直到最后一排管穿好和最后一根折流杆焊好。在组装过程中，换热管和折流栅都很直观，穿管自如。组装效果如右图示。 将组装好后的管束装入准备好的壳体内，再将换热管与另一端管板组对。换热管在两管板外伸出长度按 GB151-1999 或施工图中相应规定。调整两管板不平度，直到符合相应要求为止，将换热管与管板点固，壳体与管板找正后点固。将管束竖起，管板与换热管焊接采用强度焊加贴胀，焊接时注意不能在相邻列管连续施焊，应相隔 56 根列管按要求均匀施焊，以减少热应力，防止管板变形。 3.4 制作要点 （1） 、组装时应注意避免管板变
19、形，控制两管板的间距尺寸误差小于 5 mm；两管板不平度2 mm。 （2） 、为保证管束能顺利套进壳体，折流栅圆环应平整、光洁，外圆应经机加工，并保证外径误差小于 1 mm。 （3） 、换热器壳体卷制时应严格控制圆筒不圆度小于 10 mm，以便管束顺利穿过。 4 实际效果 折流杆换热器制造完毕后，焊缝经超声波及射线探伤检查，质量均达到设计要求；壳程、管程分别进行压力试验一次性通过，各项技术指标均达到技术要求，并通过特种设备监督检验部门的检验。该设备竣工投入使用至今运行状况良好，经回访用户反馈，各项性能满足使用要求，传热效果明显，安全稳定，无任何故障，因此该设备的设计制作是成功可取的。 5 结语
20、 通过对折流杆换热器设计、制作过程中结构、传热原理、制作工艺的分析研究得出如下结论：折流杆式换热器较折流板式换热器的优点有总传热效率高、管束振动小、壳程压降低、结垢速率低、使用寿命长等众多优点。但由于折流杆换热器换热过程极其复杂多变，既涉及到动力学、还牵涉到热力学，目前设计无任何标准、规范可遵循，也没有可供设计使用的计算公式和图表。我厂的设计是以原设备使用的实验结果为基础，完全套用原设备的工艺参数、技术特性、结构、受压元件规格尺寸，并对换热管进行改进，综合实践经验而进行设计制作的，其综合优点，已经在实际应用中得到了证实，至今有几家化工厂使用反映良好，其先进性及良好的经济效益，具有很好的使用前景，值得进一步的研究开发，通过设计制造的不断改进和积累，形成可遵循的标准、规范，获得大范围的推广与应用。 参考文献： 1GB150-1998钢制压力容器 2GB151-1999管壳式换热器 3 化工设备设计 4 化工装备技术 5化工设备设计全书化工设备工艺
