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。
管壳式换热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]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，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0.4~0.7m/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。典型的折流板（又称单弓板）及折流型式如图12—1所示。图12—2和图12—3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。

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12—4）。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。


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，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。

   近几年我国自主开发折流杆换热器的工作取得迅速发展，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12—5为折流圈的示意图。图12—6则为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12—1。
从表3—1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：φ19×2，管心距25mm，正方形排列；φ25×2.5，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。



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