螺旋折流板高效换热器的结构特点及应用案例

李秋杰 齐敏 朱兵成 高原原(.江苏中圣压力容器装备制造有限公司，江苏 南京 ；.南京托普环保工程有限公司，江苏 南京 0047)

0 引言

换热器在化工企业中占总投资的10%～20%，在炼油厂中比例更是高达总投资的35%～40%，管壳式换热器由于制造成本低，处理量大，工作稳定可靠，清洗方便，是热量传递中应用非常广泛的一种换热器[1]。但是，传统的管壳式换热器存在换热效率低、压力降大，设备尺寸大、投资成本高等缺点。因而对传统的管壳式换热器进行合理的优化改进，提高传热效率、减少设备投资，降低运行成本很有必要。

换热器传热效果的优化提高主要通过强化管程传热和强化壳程传热两个方面来实现。管程的强化传热可以通过使用各种高效换热管实现，壳程的强化传热可以通过改变壳程的内部结构实现。LUMMUS公司研发的螺旋折流板换热器能够有效地克服传统弓型折流板换热器在使用过程中产生的弊病，有效单位压降下能够大幅度提高换热器的传热效率，在国外石油化工行业已得到广泛应用。在中国的推广主要通过与换热器制造厂家合作的方式进行，LUMMUS公司提供螺旋折流板换热器的工艺设计工作，换热器的制造由被授权的国内合格制造商来负责。近年来，随着节能降耗理念的倡导，螺旋折流板高效换热器在国内项目的使用日益增多。

1 螺旋折流板高效换热器的结构特点及性能分析

1.1 结构特点

螺旋折流板高效换热器的结构有两点不同于普通的列管换热器。首先，折流板是由4块扇型折流板相互交错搭接形成一组，如图1所示，每组螺旋折流板保持一定的间距，形成近似连续的螺旋通道，流体在壳体内整体螺旋式前进。其次，换热管是高效换热管，根据不同的工况，可以选用符合由江苏中圣高科技产业有限公司主编的GB/T 24590《高效换热器用特型管》的各种特型管，如T型槽管、波纹管、内波外螺纹管、内槽管及螺纹管等各种高效传热元件。

图1 螺旋折流板高效换热器管束的实物图

1.2 性能分析

1.2.1 壳程压降低、不容易结垢

传统弓型折流板的布置是垂直于管束的，流体在壳体内呈“Z”型流动，如图2所示，方向改变剧烈，产生的压降大。同时弓形板的底角处形成一个相对静止的流动死区，容易积累污垢；而流体在螺旋折流板换热器的壳程内流动时，呈整体螺旋式推进，如图3所示，方向改变缓和，压降低。没有流动死区，介质不会因为沉积而导致结垢。

图2 弓型折流板换热器介质流动示意图

图3 螺旋折流板换热器介质流动示意图

1.2.2 传热效率高

弓型折流板换热器的流动死区部分基本起不到换热作用，而螺旋折流板换热器不存在流动死区，换热面积利用更充分，同时由于流体的螺旋流动会在径向界面上产生速度梯度，形成湍流，提高壳程传热系数[2]。

也有人认为流体在螺旋折流板换热器的壳程流动时，沿换热管的轴向存在分量，因而在相同的流速下壳程传热系数低于弓型折流板换热器的传热系数，因此引入了单位压降下的传热系数这个概念，作为评价换热器综合性能的依据[3]。很多研究证明，螺旋折流板换热器壳程单位压降下的传热系数和弓型折流板换热器相比确实有不同程度的提高[4]。但是有的设备更改为螺旋折流板的结构之后，虽然单位压降下的传热系数是提高的，但是设备总的传热系数会降低，如果想满足工艺要求，势必需要增大换热面积。这时候采用高效换热管，可以弥补总传热系数降低这一缺陷，如采用高效外螺纹管、波纹管、内波外螺纹管等各种高效传热元件。这些高效换热管是在光管的基础上，采用机械加工的方法形成翅片来扩展换热管的外表面积，或者改变换热管的形状进而改变流体的流动状态，来提高换热器的传热效率[5,6,7]。

1.2.3 抗振性能好

螺旋折流板高效换热器的换热管被每一组折流板连续支撑，无支撑跨距是一组折流板的间距，而弓型折流板切口处的换热管的最大无支撑跨距是2个折流板的间距，同时螺旋折流板换热器的壳程介质流动方向和换热管有一定的倾斜角，方向改变比较缓和，对管束的冲击力度小，不易诱导管束横向振动，所以螺旋折流板换热器比弓形折流板换热器的抗振性能更好，使用寿命长。

2 应用案例

某石化企业的一台冷凝器，使用了螺旋折流板高效换热器的结构，和同等尺寸，同等折流板跨距的普通弓型折流板换热器相比较，明显节省了设备投资，减小了壳程压力降，结果对比如表1所示。

可以看出，螺旋折流板高效换热器和普通弓形板换热器相比，总传热系数系数高了33.5%，压降降低了53.6%，面积裕量增加了28%。也就是说普通弓形板换热器如果要达到相同的换热效果，面积需要增加约28%，设备投资增加明显，相应的土建、安装、运行维护成本都会增加。

根据客户反馈，螺旋折流板高效换热器投用后，在多个运行周期内一直保持高效的状态，压力降明显比常规的弓型折流板换热器要低，有效降低了装置的动力消耗。

3 结语

螺旋折流板高效换热器由于其独特的结构，在相同热负荷的情况下传热效率高，能够减小换热器的传热面积，从而有效地缩小换热器的外形尺寸，可以一次性降低设备投资；其次，由于螺旋折流板换热器不易结垢、抗振性能好，可以延长设备的运行周期，降低维修、清洗等操作成本；再次，螺旋折流板换热器的运行压降小，可以降低装置的能耗。因此，越来越多地螺旋折流板高效换热器被应用于项目的建设中。另外，在扩能改造项目中，可以不改变原有换热器的外形尺寸，仅靠把管束更换成螺旋折流板高效换热器管束来提高传热系数，同时满足换热器所在系统的压力降要求，满足改造工艺的要求。

随着螺旋折流板加工技术的成熟和高效传热技术的日趋完善，以及人们对节能降耗的重视，螺旋折流板高效换热器使用将会日益普遍。

表1 螺旋折流板方案和普通弓型板方案对比表