特种材料螺旋折流板高效换热器的研究

动频率差距加大 ， 避免了共振。因此 ， 螺旋折流板
塑性， 同时还会降低钛的耐腐蚀性能， 因此钛不能直
接熔焊在钢材上。
换热管与管板采用强度焊加贴胀连接。由于钛
材的塑性偏低、屈强比高。强度焊不仅承受了强度，
另外还起到部分密封的作用。这样就使得管子与管
板的配合间隙要求较小， 钛管的胀接变形量小。螺旋
折流板制作时， 需制作专用加工工具。由于钻头无法
在斜面上准确定位， 为了保证加工精度， 避免折流板
组折流板后， 需对折流板的开孔孔径、孔间距进行检
查， 以保证折流板的尺寸符合要求。折流板加工完毕
２
后应将折流板开孔处及四周的毛刺打磨干净。螺旋
０ ０
８
折流板换热器制造的关键在于控制好扇形折流板的 年
第
加工质量。在布管时， 尽可能相互对称布置。对于 Ｕ
３
期
形管束， 中间的换热管尽可能不要跨象限交叉布置。 ·２７·
ｈｓ＝ｂ１ｂ２ｈｓｉ 式中 ｈｓｉ 是折流板连续搭接时的壳程传热系数， ｂ１、ｂ２ 是修正系数， 它们是交错比 Ｌｂ／Ｌｓ、θ、ｕ 的函数， 螺距 Ｌｓ＝πＤｔｇθ。 （ ３） 壳程管束压降校正：
ΔＰｓ＝ｃ１ｃ２ΔＰｓｉ 式中 ｃ１、ｃ２ 是校正系数， 它是交错比 Ｌｂ／Ｌｓ、θ、ｕ 的函 数。
系数 ａ、ｂｉ、ｃｉ 是通过对投入生产运行的螺旋折 流板换热器运行数据、模拟计算和实验数据关联所 得。用这种方法计算所得的传热系数和压降能满足 设计精度要求。在相同螺旋角时， 交错搭接的总传热 系数比连续搭接大 １５％以上， 有较大的操作弹性和 较长的连续运行周期， 完全满足设计要求。实验结果 表明， 折流板的倾角 θ越小， 流体流动切向分量越 大， 有利于横向冲刷换热管， 减少边界层， 增强流体 脉动， 同时产生二次流， 增加流体的扰动， 强化传热。 一般情况下，流体流动速度小时，折流板的倾角 θ相 应小。
图 ２ 螺旋折流板示意图
图 ３ 壳程流动示意图
２ 设计制造特点
钛、锆及其合金的耐腐蚀性优于不锈钢、镍和镍
合金， 具有优良的力学性能和工艺性能［１］。钛、锆是
活泼的金属， 在空气中能迅速产生一层致密的氧化
层， 这使得钛、锆与它的合金具有抗蚀性。钛、锆螺
旋波纹管［２￣３］是在普通光滑管的基础上， 经过特殊滚
轧工艺加工而成的具有双面螺旋波纹形槽道的强化
传热管如图 ４ 所示， 经水压试验， 在压力达到 ６．４ ＭＰａ，
２ ０
保压半小时， 无泄漏。强度和拉力试验表明， 抗拉强度
０
８
年
Ｒｍ 为 ４７５ ＭＰａ， 屈服强度 ＲｅＬ 为 ３４５ ＭＰａ， 伸长率
第
３
Ａ％为 ２７，都远远大于标准规定值， 金相分析表明无
螺旋折流板使流体在壳体内呈螺旋状流动， 增 强流体的纵向混合， 并斜向冲刷管束使流体沿螺旋 板方向流动， 没有死区， 不易积垢， 抗振性能好等优 点。特别适用于高粘度， 流动性差的介质。
特种材料螺旋折流板高效换热器经理论分析、 模 型 建 立 、流 场 、温 度 场 分 析 计 算 、试 制 和 应 用 表 明 ， 具有压降小 、换 热 效 率 高 、运 行 费 用 低 、增 产 节 能效果显著等特点， 已在上海石化、金陵石化、扬子 石化等企业的乙烯、醋酸、ＰＴＡ 等装置上成功推广 使用。
研究与探讨
特种材料螺旋折流板高效换热器的研究
高兴国 １，田朝阳 ２，孙丹红 ２，
（ １．宝鸡钛业股份有限公司， 陕西 宝鸡 ７２１０１４； ２．江苏中圣高科技产业有限公司高效传热研究所， 江苏 南京 ２１１１１２）
摘要： 介绍了钛、锆高效波纹管与螺旋折流板新型结构的高效换热器的研发情况，实践证明， 与传统的管壳式换热器相比较， 特种材料螺旋折流板高效换热器具有传热系数高、压降低、防振 动及适用范围广的优点，且增产节能效果明显， 同时节省原材料投资。
研究与探讨
管板、支撑板、换热管和拉杆的加工方法均与普通管 壳式换热器相同。
３ 钛、锆螺旋折流板高效换热器的特 性
３．１ 传热系数高
在同样操作条件下， 利用旋转流动和高效换热
管实现增强换热， 降低壳程阻力损失， 钛、锆螺旋折
流板高效换热器比弓形折流板换热器的传热面积可
减少 ３０％￣３５％， 传热系数是弓形折流板换热器的
多次划线， 需要制作模板。螺旋折流板换热器的管束
结构特殊， 管束的外直径尺寸不易控制， 其外圆周长
允许上偏差为 ８ ｍｍ， 下偏差为 ０。扇形折流板与壳
体横截面成一定的倾斜角， 因此， 不能按照弓形折流
板的排列方式进行点焊。需根据图样所示的倾斜角
度在平台上先焊好定位板， 然后依次将折流板放在
定位板上， 用卡具压紧后沿周边点焊固定。每钻完一
１—管程进口； ２—壳程出口； ３—螺旋折流板； ４—壳体； ５—高
效换热管； ６—放空口； ７—壳程 进 口 ； ７—壳 程 进 口 ； ８—鞍 式
支座； ９—固定管板； １０—管程出口； １１—管箱 图 １ 螺旋折流板结构图
螺旋折流板换热器的折流板由若干块 １／ ４ 壳 体横截面的扇形折流板自进口处向出口处呈螺旋 状组装形成的。每相邻的 ４ 片组成一组， 如图 ２ 所
为 ３￣１２ ｍｍ。钛＋钢衬里结构与钛＋钢复合结构中由
于钛材与钢材之间没有形成连接强度， 不承受载荷，
设备的载荷应由钢材全部承受， 钛材只能起到耐腐
蚀的作用。在强度设计时， 钛材的厚度一般不计入强
度计算。钛与钢在结构设计时， 应严格避免两者之间
焊接结构型式。由于铁等其它金属熔于钛焊缝中会
形成硬而脆的金属间化合物， 会极大地降低焊缝的
期
宏观永久变形发生。
·２６·
图 ５ 光管和螺旋波纹管的管内传热性能对比
螺旋折流板的螺旋角和折流板交错量是决定壳 侧传热系数和压降的重要参数， 这两个参数确定折 流 板 的 间 距 ［５］。 相 邻 扇 形 折 流 板 之 间 的 三 角 区 示 意 见图 ６。国外研究机构是在连续搭接的螺旋折流板 换热器上所做的实验。其计算结果是针对相邻折流 板连续搭接方式计算出来的， 即折流板间距等于螺 距， 此时旁路三角区最大， 导致较大的纵向的旁路 流， 使壳程流速较小， 计算所得的传热系数和压降较 低。我们研制的螺旋折流板搭接方式是交错搭接， 折流板间距小于螺距， 旁路三角区变小， 旁路流减 少， 速度增加， 传热系数增加。我们通过研究， 对交错 搭接的螺旋折流板换热器传热系数和压降进行修 正。
１ 结构特点
特种材料螺旋折流板高效换热器结构见图 １， 主要由管箱、管束、壳体构成。管箱材料采用 １６ＭｎＲ＋ＴＡ２（ 或 ＺＩＲ７０２） 衬里， 管板材料采用 ＴＡ９＋ １６ＭｎＩＩ 复合板或 ＺＩＲ７０５ 板， 波纹管材料采用 ＴＡ２ 或 ＺＩＲ７０２， 壳体材料采用 １６ ＭｎＲ，螺旋折流板材料 采用 ０Ｃｒ１８Ｎｉ９， 除壳程法兰外其余均采用 １６ ＭｎＲ （ ＩＩ） ＋ＴＡ２（ 或 ＺＩＲ７０２） 衬环结构。
关键词： 螺旋折流板； 波纹管； 高效换热器； 特种材料 Ａｂｓｔｒ ａｃｔ： Ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｉｏｎ ａｎｄ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｏｆ ｈｉｇｈｌｙ ｅｆｆｉｃｉｅｎｔ ｈｅａｔ ｅｘｃｈａｎｇｅｒ ｗｉｔｈ ｃｏｒｒｕｇａｔｅｄ ｔｕｂｅ ａｎｄ ｎｅｗ ｈｅｌｉｃａｌ ｂａｆｆｌｅｓ ｗａｓ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ． Ａｎ ｃｏｍｐａｒａｔｉｖｅ ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｈｅｌｉｃａｌ ｂａｆｆｌｅ ｈｅａｔ ｅｘｃｈａｎｇｅｒ ａｎｄ ｔｈｅ ｃｏｍｍｏｎ ｈｅａｔ ｅｘｃｈａｎｇｅｒ ｗａｓ ｐｒｅｓｅｎｔｅｄ， ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗｅｄ ｔｈａｔ ｈｅｌｉｃａｌ ｂａｆｆｌｅ ｈｅａｔ ｅｘｃｈａｎｇｅｒｓ ｇａｖｅ ｈｉｇｈ ｈｅａｔ ｔｒａｎｓｆｅｒ ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ， ｌｏｗ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｌｏｓｓ， ｇｏｏｄ ｖｉｂｒａｔｉｏｎ ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ ａｎｄ ｗｉｄｅ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ． Ｋｅｙ ｗｏｒ ｄｓ： ｈｅｌｉｃａｌ ｂａｆｆｌｅ； ｃｏｒｒｕｇａｔｅｄ ｔｕｂｅ； ｈｅａｔ ｅｘｃｈａｎｇｅｒ； ｓｐｅｃｉａｌ ｍａｔｅｒｉａｌ 中图分类号： ＴＫ１７２ 文献标志码： Ｂ 文章编号： １００１－ ５５２３（ ２００８） ０３－ ００２５－ ０５
目 前 我 国 的 石 油 化 工 、化 工 、精 细 化 工 、电 力 等 行业使用的管壳式换热器多为弓形折流板。弓形折 流板使流体介质在换热器壳程内横向流动， 导致介 质阻力降大， 易积垢， 换热效率低， 还可能诱导换热 管振动等问题。
钛、锆波纹管的研发成功， 解决了腐蚀问题， 提 高了 传 热 效 率 ， 具 有 较 强 的 自 清 污 垢 能 力 、伸 缩 性 和很好的补偿能力， 适用于多种场合［１￣３］。
为退火 ， 表 面 不 得 有 划 痕 、碰 伤 ， 裂 纹 等 缺 陷 存 在 ，
按批抽样进行拉力、压扁和扩口等力学性能试验，
全 部 进 行 涡 流 检 验 或 液 压 试 验［６￣７］。管 板 质 量 要 符 合
《ＧＢ８５４７－ １９８７ 钛－ 钢复合板》中的 Ｂ１ 级的规定， 钛
复层与钢材的贴合率要求尽可能的高， 复层的厚度
２ ０ ０ ８
年 第
３
期
·２５·
研究与探讨
示。壳程中的介质既不象弓形折流板换热器中横向 流，也不象折流杆换热器中的纵向流，而是围绕换热 器管束中心轴呈螺旋状向前流动，其壳程介质流动 示意见图 ３。这种结构较大幅度地降低了壳程压力 降，减少了换热器管束的振动， 减少了污垢热阻，提 高了管、壳程介质的传热效率。这种换热器的管束 换热管为波纹管可使螺旋折流板换热器的传热效率 及负荷大幅度上升。它既可用于易结垢的介质，也 适用于高粘原油和渣油等介质。
高兴国等， 特种材料螺旋折流板高效换热器的研究
图 ４ 螺旋波纹管截面图
换热基管的直径为 Φ１０￣Φ５１ ｍｍ， 波峰与波谷 间 距 离 为 ０．２￣１．８ ｍｍ， 壁 厚 为 ０．５￣３．０ ｍｍ， 波 距 为 １．５￣１５ ｍｍ。管内外壁存在波峰、波谷可有效提高紊 流的脉动性， 强化了传热， 钛、锆制螺旋波纹管的两 端保留原来光滑管表面， 以便与管板的胀焊连接， 可 确保换热器的结构强度及使用寿命。其传热性能见 图 ５， 阻力特性详见文献［４］。
的配合尺寸都不变， 如需管束更新， 不需要更换
壳体， 也不需要改变配管安装位置， 只需将更新
后的管束插入原换热器壳体中， 可节省大量检修
改造费用。
３．５ 抗振动性能好
螺旋折流板换热器壳程流体与管子轴向有一角
度 ， 减小了流体对管子的直接冲击 ， 螺旋折流板的
连续支撑减小了管束跨距 ， 使管子和流体产生的振
变大 ， 产生的压力损失也大 ， 这是弓形折流板换热器
能耗大、压力降大的主要原因。螺旋折流板换热器中
的介质在壳体内连续螺旋状流动 ， 没有急剧的流向改
变 ， 因此 ， 壳程介质压力降较小， 可减少能耗。
３．４ 改造费用少
螺旋折流板高效换热器与传统换热器的区别
仅限于折流板和换热管的结构不同， 管束和壳体
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钛、锆螺旋折流板高效换热器的结构设计、制造
除遵循 ＧＢ１５１ 标准和技术条件外， 还应按其专用技
术要求设计制造。钛、锆波纹管是采用 Φ１９×１．５ 钛、
锆高级换热管， 经特殊工艺加工而成的内外表面均
有波纹的高效换热管。换热管应符合 ＧＢ／Ｔ３６２５ 及
ＡＳＴＭＢ５２３ 标准的要求， 同时要求管材的供应 状 态
高兴国等， 特种材料螺旋折流板高效换热器的研究
研究与探讨
图 ６ 相邻扇形折流板之间的三角区
（ １） 壳程速度校正： ｕ＝ａＱ／Ａ Ａ＝Ｌｂ ｃｏｓθＤ／２（１－ ｄ／ｐｔ）
式中 ｕ 是螺旋通道内的平均流速， ａ 是对旁路流的 修正， Ｑ 是体积流量， Ａ 是螺旋通道截面积， Ｌｂ 是螺 旋折流板间距， θ是螺旋角， Ｄ 是壳体直径， ｄ 是换热 管外径， ｐｔ 是管间距。 （ ２） 壳程传热系数校正：
１．３３￣１．８４ 倍。
３．２ 介质不易沉积和结垢
由于不存在流动死区， 在提高传热系数的同时，
可减少污垢沉积。浮头式换热器运行周期一般为
１￣２ 年， 更换为螺旋折流板换热器使用 ３ 年后检修
时， 管束结垢仍不明显， 延长了使用和维修周期，
减少了相应的检修维护费用。
３．３ 压降低， 能耗少
弓形折流板垂直于换热管束 ， 介质流动方向改