管殼式換熱器節能技術研究

潘文厚 楊啟明

（西南石油大學四川成都610500）

    【摘　要】根據國內外換熱器節能技術研究現狀，從換熱器的管程和殼程兩方面介紹了管殼式換熱器強化傳熱技術的傳熱機理及其應用范圍，進一步分析了各種強化傳熱技術的優缺點。提出了部分改進措施和思路，并指出國內外近期開發研究的發展方向。

    【關鍵詞】節能管殼式換熱器強化傳熱管程殼程

    實測值和模型值趨勢對比界換熱器在化工、石油、動力等高能耗產業部門中有著廣泛的應用。近幾十年來，能源的緊缺有力地促進了換熱器節能技術的發展。國內外對換熱器節能技術做了大量研究，取得了豐碩的成果。目前，在各種換熱器節能技術中，強化傳熱技術是應用較廣泛的一種。所謂換熱器傳熱強化是指通過對影響傳熱的各種因素的分析與計算，采取某些技術措施以提高換熱設備的傳熱量或者在滿足原有傳熱量條件下，使它的體積縮小。強化傳熱主要有兩種途徑：提高傳熱系數、增大傳熱面積。當前，對換熱器強化傳熱技術的研究主要基于這兩點展開。管殼式換熱器是目前應用最廣泛的一類換熱器（約占70%），其理論研究和設計技術比較完善，運行可靠。對管殼式換熱器的節能研究集中在管程和殼程強化傳熱兩方面。

    1·管程節能技術分析研究

    管殼式換熱器管程的強化傳熱技術，主要通過改變傳熱面的形貌或管內插入物來增加流體湍流度、擴展傳面熱面積，從而實現強化傳熱，達到節能目的。

    1.1帶內凸肋結構管

    這類元件管壁上具有內凸肋結構，當前應用較廣的是螺旋槽管和橫紋管（圖1，圖2）。螺旋槽管管壁是由光管擠壓而成，管壁上的槽紋能在有相變和無相變的傳熱中明顯提高管內外的傳熱系數。螺旋槽使冷凝液膜產生附加的表面張力場，使平均冷凝液膜減薄，減少了冷凝傳熱熱阻。橫紋管用普通圓管作毛胚，在管外壁滾軋出與軸線垂直的凹槽，同時在管內形成一圈突起的環肋。當管內流體流經橫向環肋時，管壁附近形成軸向漩渦，增加了邊界層的擾動，使邊界層分離，有利于熱量的傳遞。當漩渦將要消失時流體又經過另一個橫向環肋。因此不斷產生渦流保持了穩定的強化作用，以上就是帶內凸肋結構管換熱器的傳熱機理。帶內凸肋結構管具有雙面強化傳熱的作用，適用于對流、沸騰和冷凝等工況。研究發現[1-2]：在相同流速下，橫紋管與單頭螺旋紋管比較，流體阻力稍大，但傳熱性能好，應用場合二者相同。

              
              
    1.2內翅片管

    內翅片管是通過特殊的焊接工藝和設備加工而成，流體在管內的換熱過程為單相強制對流換熱，其主要特點是通過在傳熱管管內擴大傳熱面積、強化管內傳熱的途徑來提高換熱器的傳熱性能。研究表明，相對光管而言，內翅片管改變了其內部流場及溫度場的分布情況，產生了有利于強化換熱的渦流，相應增加了其流場的湍動能，提高了換熱壁面附近的溫度梯度，強化了傳熱。內翅片管用于強化管內單向流體的傳熱。

    內翅片管的加工以焊接為主，翅片的加工、焊接對于換熱有很大的影響。這是因為內翅片與管壁之間存在著接觸熱阻，接觸良好時則換熱效果好，這在高雷諾數（R e）時更加明顯。同時，因為翅片的存在，換熱管的清洗工作比較困難。

    1.3管內插入物

    管內插入物是被動強化傳熱形式的一種。在低雷諾數或高粘度流體傳熱工況下，管內插件對強化氣體、低雷諾數流體或高粘度流體的傳熱會起到較好的效果。管內插件的形式可大致分為3類：強化旋流，如紐帶和半紐帶形式；促進湍流，如螺旋線、片條、斜環片等形式；置換型強化器，包括靜態混合器、交叉鋸齒帶、球形體等形式。傳熱機理為[3-5]：

    （1）形成旋轉流；

    （2）破壞邊界層；

   （3）中心流體與管壁流體產生置換作用；

    （4）產生二次流。

    1998年，英國開發出一種花環式金屬絲翅片插入物，在不增大壓降的情況下，增強湍流，提高了傳熱性能。此外，與正常流速相比，這種插入物使換熱管的防垢能力提高8～10倍。

    管內插入物種類繁多，結構復雜，適用的條件比較嚴格，只有根據具體工況選擇特定的插入物，才會得到很好的傳熱效果。以紐帶為例，它能有效地促進管中心到管壁流體混合，因而，在層流及過度流情況下強化傳熱較為有利。在湍流情況下，流體傳熱阻力主要集中在近管壁處較薄的傳熱層流底層中，因此不宜采用紐帶來強化傳熱。

    1.4縮放管

    縮放管是由依次交替的多節漸縮段和漸擴段構成（圖3）。其傳熱機理為：縮放管通過壁面縮放，使流體壓力發生周期性的變化產生劇烈的漩渦沖刷流體邊界層，使其減薄,壁面縮放還促進了流動粘性底層之外與傳熱粘性底層內的流體速度場與溫度梯度的協同，增加了傳熱系數。縮放管可強化管內外單相流體的傳熱，在同等流阻損失下，Re=1×104～1×105范圍內，傳熱量比光管增加70%[3]。

              
    研究表明，縮放管收縮段的平均換熱能力比較大，擴張段的局部換熱系數呈下降趨勢，其原因是在擴張減速段的流體流動有弱化傳熱的作用，而在收縮加速段的流體有強化傳熱的作用，現有縮放管結構中擴張段與收縮段的長度在總肋間距中各占一半，因擴張段所占比例較大，故流體流動對傳熱的弱化作用明顯，使總的傳熱效率不夠理想。為了優化其結構，可以增加收縮段所占比例，相應減少擴張段的長度，并在縮放連接處采用平直鏈面連接方式，以減小流體阻力。

    1.5螺旋扁管

    螺旋扁管是瑞士Allares公司首先提出、美國B row n公司經過改進的一種換熱管[4]。由于管子的獨特結構，流體在管內處于螺旋流動，促進湍流程度。此換熱器比常規換熱器總傳熱系數高40%,而壓力降則幾乎相等。此換熱器可用于氣-氣、液-液以及氣-液換熱過程，壓降小,傳熱效率高,不易結垢易清洗,無折流板,無震動,成本低等，在石油化工行業中具有廣闊的應用前景。

    螺旋扁管換熱器可應用于單相、沸騰和冷凝等各種工況，其加工工藝稍顯復雜。

    1.6三維內肋管

    三維內肋管是通過專用的工具經過一定的方法對普通圓管內壁加工而成的局部強化傳熱元件（圖4）。

              
    其傳熱機理有5點[5]：

    （1）擴大了換熱面積；

    （2）每個肋都是擾動源，因而增加流動的紊動度；

    （3）流體在肋間的近壁面加速，減薄了熱邊界層厚度；

    （4）流體橫向沖刷三維肋，流體與肋的換熱系數大；

    （5）流體在管內做周期性振動。

    重慶建筑工程大學廖光亞教授通過實驗證明：對于空氣的管內換熱，三維內肋管最高可達相同工況下光管換熱的5.8倍，而對高Pr數的流體，其強化換熱倍數可達更高值。就管內的凝結換熱和沸騰換熱而言，其換熱倍數也分別是相同工況下光管的3～5倍和2～5倍[7]。

    三維內肋管加工工藝比較復雜，通過專用機床在光管內壁擠壓出許多獨立的齒狀肋片。和內翅片管一樣，存在清洗困難的缺點。

    2·殼程節能技術分析研究

    強化換熱器殼程傳熱的方法包括改變傳熱管外表面結構(管外傳熱強化)和管間支撐結構。

    2.1管外傳熱強化

    傳熱管外表面的改變主要是在其外表而上加工出溝槽和多孔表面等。

    2.1.1外表面帶溝槽傳熱管

    外表面有溝槽的傳熱管主要包括螺旋槽管和橫紋管。螺旋槽管和橫紋管在上文有所表述，二者對強化管外蒸汽冷凝效果明顯，主要傳熱機理為：溝槽使液膜和氣膜層產生旋流，破壞了氣膜層的穩定。同時，冷凝液在槽內由于重力分力和表面張力作用以及在汽液相界面剪切力的作用下使冷凝液迅速流向溝槽，從而減薄了液膜的邊界層厚度。

    由于這種換熱管的溝槽都是擠壓而成，其外表面槽底部應力值很大，隨著槽深增加，應力集中更嚴重。這種換熱管在工作環境下有可能因應力集中引發斷裂失效。為了避免這種情況發生，在設計中，應精確確定其結構尺寸（如槽深），并進行拉伸、彎曲及疲勞強度試驗，以確保設計的可靠性。

    2.1.2表面多孔管

    根據加工方法，表面多孔管分為燒結多孔表面管、化學腐蝕加工多孔表面管、機械加工多孔表面管等幾種。多孔表面管表面粗糙，形成多孔的隧道，增加了汽化核心，易于生成泡核沸騰，有利于沸騰時強烈的對流給熱。北京化工大學曾用丙酮作介質，測定了在以燒結法制成的表面多孔管上沸騰時的給熱系數約為光滑管的7～8倍。

    表面多孔管有一定的缺陷：化學腐蝕法制造的多孔表面管其傳熱性能可得到明顯強化,但是多孔層中的金屬極易被氧化,從而使微孔堵塞或掩蓋,使用壽命較短。而機械加工方法雖然可以大量生產多孔管,但是它無法加工很小的孔隙,因而對其傳熱性能的提高有限。相對而言，燒結法加工的換熱管綜合性能好得多。

    2.2管間支撐結構

    2.2.1異形折流板

    管殼式換熱器采用傳統單弓形折流板，殼程流體易產生流動死角，傳熱面積不能充分利用，易結垢，流體阻力大。研究人員發現，通過改變折流板的結構形式和布置方式，可以改變換熱器殼程流體的流動速度和方式，減少殼程易結垢的死角，從而提高傳熱效率。最常見的異形折流板有雙弓形折流板、螺旋折流板等。

    雙弓形折流板包括A型(雙弓形折流板)和B型(中心折流板)2種（圖5）。雙弓形折流板沿管束長度方向交錯布置，在換熱器殼側將流體分成兩股平行束，橫向流動的長度(即橫流經過的列管數)大致為具有同樣缺口的單弓形折流板的一半，與具有相同折流板間距和缺口的單弓形折流板相比，雙弓形折流板的壓降下降50%～70%，而傳熱系數僅下降了20%～40%[6]。

    螺旋折流板是將傳統的弓形板換成螺旋狀或近似螺旋狀的折流板，折流板與換熱器殼體橫斷面有一個傾斜角度，使得流體在殼程沿螺旋通道流動。這樣減少了管板與殼體之間易結垢的死角，能防止結垢，換熱器的螺旋折流板使流體在殼側呈連續柱塞狀螺旋流動(即plug流)，不會出現傳統折流板換熱器內的流動死區。由于旋流產生的渦流與管束傳熱界面邊界層相互作用，使湍流度大幅度增強，有利于提高殼側傳熱系數。

     螺旋折流板有一定的缺點，螺旋折流板和定距管的加工較困難，需要專用的加工胎具。通常將折流板分成4塊，形成螺旋流道。分塊螺旋折流板雖然容易制造，但殼程相鄰折流板間存在三角死區，流體流向仍為橫縱向混合流，降低了傳熱效果。雖然加工困難，但螺旋折流板的發展方向應該是整體式，這樣會使其綜合性能提升明顯。

    2.2.2桿式支撐結構

    桿式支撐結構的開發最初是為了解決折流板換熱器因流體橫向沖刷引起的振動破壞問題。折流桿支承結構由折流柵和支承桿組成（圖6）。折流柵是由在一圓環(折流圈)上焊接一定數量的圓桿(折流桿)構成，折流柵上的折流桿交錯穿插于管子之間，折流桿的直徑約等于相鄰管子之間的間隙，管子被折流桿緊緊夾住。由于折流桿換熱器殼程流體為縱向流動，基本不存在流動死區。另外，流體流過折流桿后在其兩側交替產生和脫離旋渦，而且流體流過折流柵時流通截面縮小，之后又擴大，從而產生文丘里效應。由于漩渦和文丘里效應的作用，使流體對管壁形成強烈的沖刷，從而減薄了傳熱邊界層，強化了殼程傳熱[7]。折流桿換熱器可應用于單相、沸騰和冷凝等各種工況。

    折流桿換熱器傳熱系數大、流體阻力小、抗振性能好、設備緊湊。折流桿換熱器的弱點就在于它制造方面的困難，這種換熱器中折流圈很多，而且折流圈上有很多折流桿，制造折流圈和布置折流桿在工藝上都是有困難的。

    2.2.3空心環支撐結構

    空心環管殼式換熱器是將小直徑金屬短管(即空心環)以一定間隔布置在換熱管束同一截面上以替代折流柵（圖7），從而支撐管束并促進流體擾動。空心環支撐往往與強化管組合使用，如縮放管、低肋管、花瓣管等，強化流體縱向沖刷時的對流換熱。空心環換熱器殼側空隙率大、壓降小，可使殼側流體的大部分輸送功作用在強化管的粗糙表面上來促進近壁流體湍流，降低傳熱熱阻，達到強化傳熱的目的。

               
    空心環支撐的擾流作用不如折流桿支承，而且管束固定工藝相對較復雜。

    2.2.4管子自支撐結構

    近年來開發出的自支撐管，不僅簡化了管束支撐，而且提高了換熱器的緊湊度，如刺孔膜片管、螺旋扁管和變截面管等。這類管靠管自身的一部分如刺孔膜片、螺旋線或變徑部分的點接觸來支撐管子，同時又組成殼程的擾流元件，增大了流體自身的湍流度，破壞了管壁上的流體邊界層，從而使殼程傳熱進一步增強。

    3·結論

    （1）目前，以采用強化傳熱元件和改進換熱器結構為主的強化傳熱技術是一種能顯著改善換熱器傳熱性能的節能技術。

    （2）強化傳熱技術的研究大多屬于經驗或半經驗性的，往往是依據各自的經驗與分析，設計出不同的強化換熱元件，然后，利用實驗研究的方法，給出實驗關聯式或準則關系式，存在的根本問題是在傳熱得到強化的同時，流動阻力也隨之增加。通常情況下，流動阻力的相對增加量要大于換熱的相對增加量。因此，在增加傳熱系數的同時，應注意控制流體阻力的增加。

    （3）根據傳熱物流條件的不同情況，殼程傳熱強化的研究必然與強化傳熱管的優化組合相聯系，這是今后換熱器強化傳熱技術發展的方向。同時，新技術、新方法的應用，如流體數值計算法（C F D）、電場強化傳熱技術、流體添加納米粒子技術等把換熱器強化傳熱理論研究和新技術開發方面帶入到了更高層次的探索階段。

參考文獻

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[2]吳慧英，帥志明，周強泰.凝結換熱器采用螺旋槽管的強化傳熱研究.化工學報，1997(6)626-629

[3]陳穎，鄧先和，等.強化縮放管內湍流對流換熱[J].化工學報2004,55(9)1528～1531

[4]崔海亭，姚仲鵬，王瑞君.強化型管殼式熱交換器的研究現狀及發展.化工機械，1999,26(3)168-170

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[7]Mukherjee Rajiv.Effectivelydesign shell-and-tube heat exchanger

[J].Chemical Engineering Progress.1998.94(2)21-37

作者簡介：潘文厚（1 9 7 9—），男，遼寧省東港市人。在讀碩士。從事化工設備節能研究。