具有分流效应的折流板支撑结构及其管壳式换热器的制作方法

本发明涉及换热器结构改进的技术领域，更具体地讲，涉及一种具有分流效应的折流板支撑结构及其管壳式换热器。

背景技术：

在电站辅机中，随着机组参数的提高，前置蒸汽冷却器的加热蒸汽的压力、温度和流量愈大。工程中的前置蒸汽冷却器一般为u形管式的单壳程结构，折流形式为单弓形或双弓形折流板。由于蒸汽流量大、比容高，流体横向掠过管束的流速较高，易引起管束的振动并影响设备的寿命及性能。

为了杜绝管束振动并降低换热管的冲刷磨蚀，工程上使用的常规方法有：

其一，改变管束的折流方式以降低流速，比如采用双弓形或三弓形折流板等。该方法存在以下问题：1)多弓形折流板换热管的穿管装配难度大，折流板装配中工装支撑多；2)蒸汽流速大，其折流板后的流动死区效益增加，流体在折流板间掠过管束的流速分布极不均匀，换热管的有效换热面积减小，换热效率低下，严重影响换热器的综合传热性能。

其二，采用增加换热管间距以增大其通流面积。该方法存在以下问题：1)换热管数量相同时其管束直径大幅增加；2)管板直径、厚度相应增加，筒体直径和壁厚均会相应增加，换热器的成本会大幅提高，其经济性较差；3)管板、筒体厚度的增加，降低了设备随负荷变化的适应性；4)增加了蒸汽的冷却器的制造成本及运输成本，也增加了土建成本。

其三，增大折流板间距以增加横向流通面积。该方法虽降低了蒸汽流速，减少换热管的磨蚀，但也增加了折流板的无支撑跨距，降低了管束的极限流速，降低了管束的抗振动能力，易引起管束的振动。

技术实现要素：

针对横向冲刷管束流速与换热管无支撑跨距相矛盾的问题，本发明仍然采用单弓形折流板的总体布置形式，仅仅在折流板之间增加具有分流效应的分流支撑板，形成具有分流效应的折流板支撑结构及其管壳式换热器。

本发明的一方面提供了一种具有分流效应的折流板支撑结构，在管壳式换热器中间隔布置有若干块能够形成折流流路的折流板，在相邻两块折流板之间增设一块分流支撑板，所述分流支撑板具有缺口区、布管区和非布管区并且非布管区上设置有至少一个分流窗口，其中，所述分流支撑板的装配满足：所述分流支撑板的缺口区与上一级折流板的缺口区布置方向相反并且与下一级折流板的缺口区布置方向相同。

根据本发明具有分流效应的折流板支撑结构的一个实施例，所述折流板为具有缺口区、布管区和非布管区的单弓形折流板，换热管束布置为穿过折流板的布管区和分流支撑板的布管区，所述折流板与管壳式换热器的定距管、拉杆及管板组成完整的换热管束支撑结构。

根据本发明具有分流效应的折流板支撑结构的一个实施例，所述分流支撑板上的分流窗口为方形孔、圆形孔、异形孔或组合孔，所述分流窗口的流通面积为纵向总流通面积的10％～40％。

根据本发明具有分流效应的折流板支撑结构的一个实施例，所述分流窗口的流通面积随着分流支撑板距离管壳式换热器的蒸汽进口之间的距离增加而逐渐递增，其中，控制增幅为2％～20％。

根据本发明具有分流效应的折流板支撑结构的一个实施例，所述分流支撑板上的分流窗口在分流支撑板上的设置位置距离布管区中的最外排管束100mm～250mm。

根据本发明具有分流效应的折流板支撑结构的一个实施例，所述分流支撑板与上一级折流板之间的间距为相邻两块折流板之间间距的30％～50％。

根据本发明具有分流效应的折流板支撑结构的一个实施例，所述分流支撑板与上一级折流板之间的间距随着分流支撑板距离管壳式换热器的蒸汽进口之间的距离增加而逐渐递增，其中，控制增幅为2％～20％。

根据本发明具有分流效应的折流板支撑结构的一个实施例，所述分流折流板的缺口率控制在50％以上。

本发明的另一方面提供了一种管壳式换热器，所述管壳式换热器采用了上述具有分流效应的折流板支撑结构。

与现有技术相比，本发明仍然采用单弓形折流板，其装置制造工艺较为成熟，并且在折流板之间增加分流支撑板更有利于管束穿管；而新增加的具有分流效应的分流支撑板，可明显减小换热管束的无支撑跨距，满足标准、规范要求；分流支撑板上的分流窗口使蒸汽在相邻两块折流板之间相对均匀分布，减小流动死区并提高换热效率；流体横向冲刷管束的流速显著降低，同时管束的无支撑跨距减小，从而避免了蒸汽流速产生管束振动问题。在同样布管数量的情况下，其换热管束间距更小、换热管束布置更为紧凑且换热器的传热经济性更高。

附图说明

图1示出了根据本发明示例性实施例具有分流效应的折流板支撑结构的结构示意图。

图2示出了根据本发明示例性实施例具有分流效应的折流板支撑结构中局部区域的窗口区分布结构示意图。

图3示出了根据本发明示例性实施例具有分流效应的折流板支撑结构中折流板的结构示意图。

图4示出了根据本发明示例性实施例具有分流效应的折流板支撑结构中分流支撑板的结构示意图。

图5示出了现有技术中常规弓形折流板支撑结构的纵向截面流场速度分布云图，图6示出了现有技术中常规弓形折流板支撑结构的窗口区速度分布图。

图7示出了根据本发明示例性实施例具有分流效应的折流板支撑结构的纵向截面流场速度分布云图，图8示出了根据本发明示例性实施例具有分流效应的折流板支撑结构的窗口区速度分布图。

图9a示出了现有技术中的大小孔折流板和本发明的分流支撑板的壳侧换热系数与流量关系对比图，图9b示出了现有技术中的大小孔折流板和本发明的分流支撑板的壳侧压降与流量关系对比图。

图10a示出了现有技术中采用大小孔折流板的换热器纵截面速度分布云图，图10b示出了现有技术中采用大小孔折流板的换热器纵截面湍流分布云图。

附图标记说明：

1-蒸汽进口、2-管板、3-换热管束、4-壳体、5-折流板、5a-第一折流板、5b-第二折流板、51-折流板的缺口区、52-折流板的布管区、53-折流板的非布板区、6-分流支撑板、6a-第一分流支撑板、6b-第二分流支撑板、61-折流板的缺口区、62-折流板的布管区、63-折流板的非布板区、64-分流窗口、7-最外排管束。

具体实施方式

本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。

本说明书中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。

采用常规单弓形折流板的结构形式，则蒸汽冷却器的蒸汽流速大且无支撑跨距大易引起管束振动，降低了设备寿命。本发明增设具有分流作用的折流支撑板结构，能够有效解决上述问题。并且，采用常规单弓形折流板的总体布置形式，其装置制造工艺较为成熟，改造难度较低。

图1示出了根据本发明示例性实施例具有分流效应的折流板支撑结构的结构示意图，图2示出了根据本发明示例性实施例具有分流效应的折流板支撑结构中局部区域的窗口区分布结构示意图。

如图1和图2所示，根据本发明的示例性实施例，所述具有分流效应的折流板支撑结构在管壳式换热器的壳体4中间隔布置有若干块能够形成折流流路的折流板5，如第一折流板5a、第二折流板5b，通过对其缺口的间隔性排列形成折流流路。此外，管壳式换热器还设置有蒸汽进口1、管板2、换热管束3、定距管等结构件。

图3示出了根据本发明示例性实施例具有分流效应的折流板支撑结构中折流板的结构示意图。如图3所示，本发明中的折流板5优选为具有缺口区51、布管区52和非布管区53的单弓形折流板，直径为d，折流板的缺口区51用于通过流体且高度为h，折流板的布管区52用于布置并支撑换热管束3，折流板的非布管区53为封闭部分并阻止流体的通过。

本发明在相邻两块折流板5之间增设一块分流支撑板6，通过分流孔支撑板作用改善图2中窗口域a、b、c、d的流场分布特性，降低流体进出管束区的流速。图4示出了根据本发明示例性实施例具有分流效应的折流板支撑结构中分流支撑板的结构示意图。

如图4所示，分流支撑板6具有缺口区61、布管区62和非布管区63，直径为d1，非布管区63上设置有至少一个分流窗口64，分流支撑板的缺口区61同样用于通过流体且高度为h1，分流支撑板的布管区62用于布置并支撑换热管束3，分流窗口64则实现流体的分流并使蒸汽在折流板之间均匀分布而提高换热效率且分流窗口的流通面积为a0。其中，分流支撑板6的装配满足：分流支撑板的缺口区61与上一级折流板的缺口区布置方向相反并且与下一级折流板的缺口区布置方向相同。

由此，换热管束3布置为穿过折流板的布管区52和分流支撑板的布管区62，折流板5与管壳式换热器的定距管、拉杆及管板组成完整的换热管束支撑结构，牢牢地支撑着换热管束。分流支撑板6使流体在前后折流板之间均匀分布，降低局部流体横向冲刷管束的流速，充分利用管束的换热面积，强化流动死区的换热效率，减小管束的无支撑跨距，保证换热器安全稳定运行。

本发明中分流支撑板6上的分流窗口64优选为易于生产制造加工的方形孔或圆形孔，也可以为异形孔或组合孔，本发明不限于此，也可以采用其他孔型。其中，需控制分流窗口的流通面积a0为纵向总流通面积a1的10％～40％。

通过对分流支撑板流场分布进行数值模拟计算研究得到，分流窗口的流通面积为整体纵向总流通面积的10％～40％时，其分流效应较明显，明显发现其流动死区大幅降低；并且通过对分流支撑板6前后侧流量分配数值计算得到，分流窗口的流通面积为整体纵向总流通面积的10％～40％时，分流支撑板6前后侧流量分配均匀合适。

优选地，分流窗口64的流通面积应随着分流支撑板6距离管壳式换热器的蒸汽进口1之间的距离增加而逐渐递增，其中，控制增幅为2％～20％。

并且，分流支撑板6上的分流窗口64在分流支撑板6上的设置位置距离布管区中的最外排管束7100mm～250mm。通过调整分流窗口64在分流支撑板6中开孔位置的影响，上述设置距离能够保证流体在分流支撑板前后横向冲刷管束的径向流速较小，分布相对较均匀，换热管束区流动死区最小。

本发明中分流支撑板与上一级折流板之间的间距为相邻两块折流板之间间距的30％～50％，该距离应与分流窗口面积、分流窗口距离最外排管束距离相关联。优选地，分流支撑板6与上一级折流板之间的间距应随着分流支撑板6距离管壳式换热器的蒸汽进口1之间的距离增加而逐渐递增，此时分流支撑板前后流量近似均等，且流体在管束区的流场分布均匀。其中，控制增幅为2％～20％。

此外，将分流折流板的缺口率控制在50％以上，其中缺口率为h1/d1。数值计算得到缺口率小于50％时，流体在换热区内的流场分布呈现进口均匀，出口死区增大的趋势；缺口率增加超过50％时，出口死区较小，换热面积利用率高。

图5示出了现有技术中常规弓形折流板支撑结构的纵向截面流场速度分布云图，图6示出了现有技术中常规弓形折流板支撑结构的窗口区速度分布图。图7示出了根据本发明示例性实施例具有分流效应的折流板支撑结构的纵向截面流场速度分布云图，图8示出了根据本发明示例性实施例具有分流效应的折流板支撑结构的窗口区速度分布图。

从图5至图8可以得出，分流支撑板对流场有较明显的改善，使流体在管束区域分布更加均匀，该结构具有显著的有益效应。通过分流支撑板可完全避免非布管区域流体纵向流动短路，使流体实现有规律的纵向分流，使换热管束的无支撑跨距减半而流速不增加，换热管束的综合传热效率得到强化。

本发明还提供了一种管壳式换热器，所述管壳式换热器采用了上述具有分流效应的折流板支撑结构。

为了杜绝管束振动并降低换热管的冲刷磨蚀，工程上使用的常规方法有：采用纵向流强化传热方式，使流体纵向流动，达到降低流体横向流动速度，纵向流换热器制造工艺复杂，传热机理还有待深入研究，工程应用中还是以折流板式为主导。

纵向流换热器研究较多的如大小孔折流板换热器，大小孔折流板结构形式换热器主要通过在折流板上开一定规格、数量小孔，使部分流体通过小孔进入下一级折流空间，这样一定程度降低流体横向流过管束的流量，其压降降低，但其换热效率有一定的降低。

本发明还对大小孔折流板和弓形折流板进行了实验研究及数值计算。

图9a示出了现有技术中的大小孔折流板和本发明的分流支撑板的壳侧换热系数与流量关系对比图，图9b示出了现有技术中的大小孔折流板和本发明的分流支撑板的壳侧压降与流量关系对比图。图10a示出了现有技术中采用大小孔折流板的换热器纵截面速度分布云图，图10b示出了现有技术中采用大小孔折流板的换热器纵截面湍流分布云图。

如图9a至图10b所示，本发明的分流支撑板的效果显著优于现有技术中的大小孔折流板。本发明的分流支撑板主要通过分流孔板的作用，对分流孔规格形式、分流孔板布置以及结构尺寸的核算，综合考虑以达到流场在折流板间的均匀分布，从而实现降低流体流速并提高换热效率的目的。

综上所述，本发明能有效地降低局部管束区域流体流速，明显减少传统折流板结构的流动死区；能有效地强化对换热管束的支撑效果，使换热管束的无支撑跨距减小一倍，避免管束由于流体横向冲刷管束引起的振动破坏，使换热器的运行更加安全稳定；能够使两折流板间区域流体分布更加均匀，充分利用管束的换热面积，强化流动死区的换热效率；安装简单、易于操作且制造难度较低。

本发明并不局限于前述的具体实施方式。本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。