新型花板式換熱器

藍月華

（茂名市茂港電力設備廠有限公司，廣東 茂名 525000）

傳統的管殼式換熱器為折流板式結構，一般殼程設置若干塊折流板，使流體在殼程反復換向垂直沖刷換熱管束，以增大流體的流速和湍動，來提高殼程的傳熱效果。

1 折流板式結構管殼式換熱器的缺點

這種折流板換熱器正因為殼程流體橫向沖刷管束，并不斷改變流向，導致其存在以下致命缺點：

（1）在殼側存在流動死區和漏流死區使有效傳熱面積減少25％～30％；

（2）橫向沖刷管束會誘發換熱管產生振動，這種誘導振動是引起換熱管破裂和管板泄漏的主要原因，從而使整臺換熱器的壽命大大縮短；

（3）流動阻力大，折流板少時阻力小，但換熱管固有頻率低，防振能力差，傳熱系數K值也大大降低，折流板增多則阻力增大；

（4）流體中的污垢容易沉積在換熱管表面，K值下降，傳熱效果變差。

針對這種情況，茂名市茂港電力設備廠有限公司與華中科技大學、廣東海洋大學一起，研究出一種流動阻力小、熱交換效率高的管殼式換熱器——花板式換熱器（圖1）。

圖1 花板式換熱器結構圖

2 花板式換熱器的結構與技術特點

花板式換熱器包括殼體、封蓋、管束以及封蓋上的管程進出口和殼體上的殼程進出口，在殼程里依次布設有外徑與殼體內徑相應的花板，花板與管束流向垂直，每塊花板開有若干個圓孔，花板有2組，每組由相間的花板組成，其中一組的每塊花板上兩兩相鄰的3個圓孔呈等邊三角形布設，另一組的每塊花板的圓孔沿管束方向的投影，正好落在呈等邊三角形布設的3個圓孔的中心。花板上的每個圓孔大小相同，投影剛好可覆蓋花板上兩兩相鄰的3個管孔。兩兩相鄰的3個圓孔呈等邊三角形布設在花板上，相鄰兩個圓孔之間的中心距為圓孔孔徑的2.5～3倍。

圖2 相鄰兩塊花板的開孔示意圖

圖3 相鄰兩塊花板的圓孔投影位置示意圖

花板式換熱器由于采用開有通孔的花板來代替傳統折流板，通過不同花板組合來控制殼程流體的流動，具有以下技術特點：

（1）每塊花板的開孔位置及相鄰花板的開孔位置和開孔的大小得到了優化；

（2）變一股流為多股流，流體縱向流過管束，流動阻力小，防止了流體誘導振動；

（3）不斷改變流體的流動方向和流動速度，產生混合流，大大減少流動死區和漏流死區，提高有效傳熱面積；

（4）變均勻流場為不均勻流場，使流體內部也發生熱交換，提高熱交換效率；

（5）加工簡單、結構緊湊。

3 具體實施方式

參照圖1、圖2，花板式換熱器包括殼體1、封蓋7、管束2以及封蓋7上的管程進出口（6、4）和殼體上的殼程進出口（8、5），在殼程里依次布設有外徑與殼體1內徑相應的花板3，花板3與管束2流向垂直，每塊花板3開有若干個圓孔9，花板3有兩組，每組由相間的花板3組成，其中一組的每塊花板3上兩兩相鄰的3個圓孔9呈等邊三角形布設，另一組的每塊花板3的圓孔9沿管束方向的投影，正好落在呈等邊三角形布設的3個圓孔9的中心（見圖3）。

花板3上的每個圓孔9大小相同，投影剛好可覆蓋花板3上兩兩相鄰的3個管孔10，使圓孔9的大小，滿足流體的流速所需，減少流體的流動阻力。

相鄰3個圓孔9呈等邊三角形布設在花板3上，相鄰兩個圓孔之間的中心距為圓孔9孔徑的2.8倍，這樣每塊花板3的圓孔9位置錯開，且可保證管束2中通過圓孔9的每根管子，都可由前后花板中的管孔10固定，減少管束2振動。這樣來組織殼程流體流動，可不斷改變流體的流動方向和流動速度，產生混合流，提高熱交換效率。

4 兩種換熱器的比較

花板式換熱器中，殼程流體的流動方式與單弓形折流板換熱器不同，殼程流體屬縱向沖刷換熱管，具有縱向沖刷換熱管殼程阻力較小、換熱器內管子振動噪聲小的特點，由于花板旋轉，使得流體沖刷換熱管時呈現錯流形式，克服縱單弓形折流板換熱存在換熱“死區”的缺點。單弓形折流板在實驗測試范圍的低流速段的總傳熱系數K，高于花板式換熱器的K；但在驗測試范圍的高流速時，花板式換熱器K的提高，比折流板換熱性能的提高更多。在驗測試范圍的高流速段時，相同雷諾數花板的傳熱系數K，已接近或超過折流板的換熱系數。殼程壓力降與殼程流速有關，與管程流速無關，花板的殼程壓力降為折流板的70％～80％，這是由于花板式換熱器殼程流體等效的流通面積大于折流板殼程流體等效的流通面積。因此，當提高殼程雷諾數時，單弓形折流板換熱器殼側壓力損失的增加，大于花板式換熱器殼側壓力損失的增加。實驗時還觀察到花板式換熱器內管子振動噪聲比折流板換熱器的小。

花板式換熱器與傳統折流板式換熱器相比，在同等條件下，傳熱系數提高30％～50％，有效傳熱面積增加20％～30％，流動阻力減小20％～30％。花板式換熱器可廣泛用于化工、電力等領域。

5 結束語

花板式換熱器在相同泵功率的情況下，可提高殼程流速，殼程數的增加，為提高膜傳熱系數成為可能。花板是交錯式排列，使得介質流形成錯流，換熱管表面產生湍流，使邊界層減薄，有利于提高殼程膜傳熱系數。實驗中注意到花板式換熱器的振動噪聲，小于折流板換熱器。花板式換熱器最大的優點，是結構簡單、換熱器制造成本降低。在相同的雷諾數下，花板的壓降僅為單弓形折流板的70％～80％。以單弓形折流板換熱器為參照時，花板式換熱器綜合效益為110％～140％，是值得推廣使用的一種換熱器。

[1]錢頌文.管殼式換熱器設計原理[M].廣州：華南理工大學出版社，1990.

[2]朱聘冠.換熱器原理及計算[M].北京：清華大學出版社，1987.

[3]劉巍.冷換設備工藝計算手冊[M].北京：中國石化出版社，2003.