管殼式換熱器節(jié)能技術(shù)研究

潘文厚 楊啟明

（西南石油大學(xué)四川成都610500）

    【摘　要】根據(jù)國(guó)內(nèi)外換熱器節(jié)能技術(shù)研究現(xiàn)狀，從換熱器的管程和殼程兩方面介紹了管殼式換熱器強(qiáng)化傳熱技術(shù)的傳熱機(jī)理及其應(yīng)用范圍，進(jìn)一步分析了各種強(qiáng)化傳熱技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)。提出了部分改進(jìn)措施和思路，并指出國(guó)內(nèi)外近期開發(fā)研究的發(fā)展方向。

    【關(guān)鍵詞】節(jié)能管殼式換熱器強(qiáng)化傳熱管程殼程

    實(shí)測(cè)值和模型值趨勢(shì)對(duì)比界換熱器在化工、石油、動(dòng)力等高能耗產(chǎn)業(yè)部門中有著廣泛的應(yīng)用。近幾十年來，能源的緊缺有力地促進(jìn)了換熱器節(jié)能技術(shù)的發(fā)展。國(guó)內(nèi)外對(duì)換熱器節(jié)能技術(shù)做了大量研究，取得了豐碩的成果。目前，在各種換熱器節(jié)能技術(shù)中，強(qiáng)化傳熱技術(shù)是應(yīng)用較廣泛的一種。所謂換熱器傳熱強(qiáng)化是指通過對(duì)影響傳熱的各種因素的分析與計(jì)算，采取某些技術(shù)措施以提高換熱設(shè)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(qiáng)化傳熱主要有兩種途徑：提高傳熱系數(shù)、增大傳熱面積。當(dāng)前，對(duì)換熱器強(qiáng)化傳熱技術(shù)的研究主要基于這兩點(diǎn)展開。管殼式換熱器是目前應(yīng)用最廣泛的一類換熱器（約占70%），其理論研究和設(shè)計(jì)技術(shù)比較完善，運(yùn)行可靠。對(duì)管殼式換熱器的節(jié)能研究集中在管程和殼程強(qiáng)化傳熱兩方面。

    1·管程節(jié)能技術(shù)分析研究

    管殼式換熱器管程的強(qiáng)化傳熱技術(shù)，主要通過改變傳熱面的形貌或管內(nèi)插入物來增加流體湍流度、擴(kuò)展傳面熱面積，從而實(shí)現(xiàn)強(qiáng)化傳熱，達(dá)到節(jié)能目的。

    1.1帶內(nèi)凸肋結(jié)構(gòu)管

    這類元件管壁上具有內(nèi)凸肋結(jié)構(gòu)，當(dāng)前應(yīng)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(nèi)外的傳熱系數(shù)。螺旋槽使冷凝液膜產(chǎn)生附加的表面張力場(chǎng)，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(shí)在管內(nèi)形成一圈突起的環(huán)肋。當(dāng)管內(nèi)流體流經(jīng)橫向環(huán)肋時(shí)，管壁附近形成軸向漩渦，增加了邊界層的擾動(dòng)，使邊界層分離，有利于熱量的傳遞。當(dāng)漩渦將要消失時(shí)流體又經(jīng)過另一個(gè)橫向環(huán)肋。因此不斷產(chǎn)生渦流保持了穩(wěn)定的強(qiáng)化作用，以上就是帶內(nèi)凸肋結(jié)構(gòu)管換熱器的傳熱機(jī)理。帶內(nèi)凸肋結(jié)構(gòu)管具有雙面強(qiáng)化傳熱的作用，適用于對(duì)流、沸騰和冷凝等工況。研究發(fā)現(xiàn)[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(yīng)用場(chǎng)合二者相同。

              
              
    1.2內(nèi)翅片管

    內(nèi)翅片管是通過特殊的焊接工藝和設(shè)備加工而成，流體在管內(nèi)的換熱過程為單相強(qiáng)制對(duì)流換熱，其主要特點(diǎn)是通過在傳熱管管內(nèi)擴(kuò)大傳熱面積、強(qiáng)化管內(nèi)傳熱的途徑來提高換熱器的傳熱性能。研究表明，相對(duì)光管而言，內(nèi)翅片管改變了其內(nèi)部流場(chǎng)及溫度場(chǎng)的分布情況，產(chǎn)生了有利于強(qiáng)化換熱的渦流，相應(yīng)增加了其流場(chǎng)的湍動(dòng)能，提高了換熱壁面附近的溫度梯度，強(qiáng)化了傳熱。內(nèi)翅片管用于強(qiáng)化管內(nèi)單向流體的傳熱。

    內(nèi)翅片管的加工以焊接為主，翅片的加工、焊接對(duì)于換熱有很大的影響。這是因?yàn)閮?nèi)翅片與管壁之間存在著接觸熱阻，接觸良好時(shí)則換熱效果好，這在高雷諾數(shù)（R e）時(shí)更加明顯。同時(shí)，因?yàn)槌崞拇嬖冢瑩Q熱管的清洗工作比較困難。

    1.3管內(nèi)插入物

    管內(nèi)插入物是被動(dòng)強(qiáng)化傳熱形式的一種。在低雷諾數(shù)或高粘度流體傳熱工況下，管內(nèi)插件對(duì)強(qiáng)化氣體、低雷諾數(shù)流體或高粘度流體的傳熱會(huì)起到較好的效果。管內(nèi)插件的形式可大致分為3類：強(qiáng)化旋流，如紐帶和半紐帶形式；促進(jìn)湍流，如螺旋線、片條、斜環(huán)片等形式；置換型強(qiáng)化器，包括靜態(tài)混合器、交叉鋸齒帶、球形體等形式。傳熱機(jī)理為[3-5]：

    （1）形成旋轉(zhuǎn)流；

    （2）破壞邊界層；

   （3）中心流體與管壁流體產(chǎn)生置換作用；

    （4）產(chǎn)生二次流。

    1998年，英國(guó)開發(fā)出一種花環(huán)式金屬絲翅片插入物，在不增大壓降的情況下，增強(qiáng)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(nèi)插入物種類繁多，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，適用的條件比較嚴(yán)格，只有根據(jù)具體工況選擇特定的插入物，才會(huì)得到很好的傳熱效果。以紐帶為例，它能有效地促進(jìn)管中心到管壁流體混合，因而，在層流及過度流情況下強(qiáng)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(qiáng)化傳熱。

    1.4縮放管

    縮放管是由依次交替的多節(jié)漸縮段和漸擴(kuò)段構(gòu)成（圖3）。其傳熱機(jī)理為：縮放管通過壁面縮放，使流體壓力發(fā)生周期性的變化產(chǎn)生劇烈的漩渦沖刷流體邊界層，使其減薄,壁面縮放還促進(jìn)了流動(dòng)粘性底層之外與傳熱粘性底層內(nèi)的流體速度場(chǎng)與溫度梯度的協(xié)同，增加了傳熱系數(shù)。縮放管可強(qiáng)化管內(nèi)外單相流體的傳熱，在同等流阻損失下，Re=1×104～1×105范圍內(nèi)，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(kuò)張段的局部換熱系數(shù)呈下降趨勢(shì)，其原因是在擴(kuò)張減速段的流體流動(dòng)有弱化傳熱的作用，而在收縮加速段的流體有強(qiáng)化傳熱的作用，現(xiàn)有縮放管結(jié)構(gòu)中擴(kuò)張段與收縮段的長(zhǎng)度在總肋間距中各占一半，因擴(kuò)張段所占比例較大，故流體流動(dòng)對(duì)傳熱的弱化作用明顯，使總的傳熱效率不夠理想。為了優(yōu)化其結(jié)構(gòu)，可以增加收縮段所占比例，相應(yīng)減少擴(kuò)張段的長(zhǎng)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(guó)B row n公司經(jīng)過改進(jìn)的一種換熱管[4]。由于管子的獨(dú)特結(jié)構(gòu)，流體在管內(nèi)處于螺旋流動(dòng)，促進(jìn)湍流程度。此換熱器比常規(guī)換熱器總傳熱系數(shù)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(jié)垢易清洗,無折流板,無震動(dòng),成本低等，在石油化工行業(yè)中具有廣闊的應(yīng)用前景。

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

    1.6三維內(nèi)肋管

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

              
    其傳熱機(jī)理有5點(diǎn)[5]：

    （1）擴(kuò)大了換熱面積；

    （2）每個(gè)肋都是擾動(dòng)源，因而增加流動(dòng)的紊動(dòng)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(shù)大；

    （5）流體在管內(nèi)做周期性振動(dòng)。

    重慶建筑工程大學(xué)廖光亞教授通過實(shí)驗(yàn)證明：對(duì)于空氣的管內(nèi)換熱，三維內(nèi)肋管最高可達(dá)相同工況下光管換熱的5.8倍，而對(duì)高Pr數(shù)的流體，其強(qiáng)化換熱倍數(shù)可達(dá)更高值。就管內(nèi)的凝結(jié)換熱和沸騰換熱而言，其換熱倍數(shù)也分別是相同工況下光管的3～5倍和2～5倍[7]。

    三維內(nèi)肋管加工工藝比較復(fù)雜，通過專用機(jī)床在光管內(nèi)壁擠壓出許多獨(dú)立的齒狀肋片。和內(nèi)翅片管一樣，存在清洗困難的缺點(diǎn)。

    2·殼程節(jié)能技術(shù)分析研究

    強(qiáng)化換熱器殼程傳熱的方法包括改變傳熱管外表面結(jié)構(gòu)(管外傳熱強(qiáng)化)和管間支撐結(jié)構(gòu)。

    2.1管外傳熱強(qiáng)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(duì)強(qiáng)化管外蒸汽冷凝效果明顯，主要傳熱機(jī)理為：溝槽使液膜和氣膜層產(chǎn)生旋流，破壞了氣膜層的穩(wěn)定。同時(shí)，冷凝液在槽內(nèi)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(yīng)力值很大，隨著槽深增加，應(yīng)力集中更嚴(yán)重。這種換熱管在工作環(huán)境下有可能因應(yīng)力集中引發(fā)斷裂失效。為了避免這種情況發(fā)生，在設(shè)計(jì)中，應(yīng)精確確定其結(jié)構(gòu)尺寸（如槽深），并進(jìn)行拉伸、彎曲及疲勞強(qiáng)度試驗(yàn)，以確保設(shè)計(jì)的可靠性。

    2.1.2表面多孔管

    根據(jù)加工方法，表面多孔管分為燒結(jié)多孔表面管、化學(xué)腐蝕加工多孔表面管、機(jī)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(shí)強(qiáng)烈的對(duì)流給熱。北京化工大學(xué)曾用丙酮作介質(zhì)，測(cè)定了在以燒結(jié)法制成的表面多孔管上沸騰時(shí)的給熱系數(shù)約為光滑管的7～8倍。

    表面多孔管有一定的缺陷：化學(xué)腐蝕法制造的多孔表面管其傳熱性能可得到明顯強(qiáng)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(jī)械加工方法雖然可以大量生產(chǎn)多孔管,但是它無法加工很小的孔隙,因而對(duì)其傳熱性能的提高有限。相對(duì)而言，燒結(jié)法加工的換熱管綜合性能好得多。

    2.2管間支撐結(jié)構(gòu)

    2.2.1異形折流板

    管殼式換熱器采用傳統(tǒng)單弓形折流板，殼程流體易產(chǎn)生流動(dòng)死角，傳熱面積不能充分利用，易結(jié)垢，流體阻力大。研究人員發(fā)現(xiàn)，通過改變折流板的結(jié)構(gòu)形式和布置方式，可以改變換熱器殼程流體的流動(dòng)速度和方式，減少殼程易結(jié)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(zhǎng)度方向交錯(cuò)布置，在換熱器殼側(cè)將流體分成兩股平行束，橫向流動(dòng)的長(zhǎng)度(即橫流經(jīng)過的列管數(shù))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(shù)僅下降了20%～40%[6]。

    螺旋折流板是將傳統(tǒng)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(gè)傾斜角度，使得流體在殼程沿螺旋通道流動(dòng)。這樣減少了管板與殼體之間易結(jié)垢的死角，能防止結(jié)垢，換熱器的螺旋折流板使流體在殼側(cè)呈連續(xù)柱塞狀螺旋流動(dòng)(即plug流)，不會(huì)出現(xiàn)傳統(tǒng)折流板換熱器內(nèi)的流動(dòng)死區(qū)。由于旋流產(chǎn)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(qiáng)，有利于提高殼側(cè)傳熱系數(shù)。

     螺旋折流板有一定的缺點(diǎn)，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(qū)，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(fā)展方向應(yīng)該是整體式，這樣會(huì)使其綜合性能提升明顯。

    2.2.2桿式支撐結(jié)構(gòu)

    桿式支撐結(jié)構(gòu)的開發(fā)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(dòng)破壞問題。折流桿支承結(jié)構(gòu)由折流柵和支承桿組成（圖6）。折流柵是由在一圓環(huán)(折流圈)上焊接一定數(shù)量的圓桿(折流桿)構(gòu)成，折流柵上的折流桿交錯(cuò)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(dòng)，基本不存在流動(dòng)死區(qū)。另外，流體流過折流桿后在其兩側(cè)交替產(chǎn)生和脫離旋渦，而且流體流過折流柵時(shí)流通截面縮小，之后又?jǐn)U大，從而產(chǎn)生文丘里效應(yīng)。由于漩渦和文丘里效應(yīng)的作用，使流體對(duì)管壁形成強(qiáng)烈的沖刷，從而減薄了傳熱邊界層，強(qiáng)化了殼程傳熱[7]。折流桿換熱器可應(yīng)用于單相、沸騰和冷凝等各種工況。

    折流桿換熱器傳熱系數(shù)大、流體阻力小、抗振性能好、設(shè)備緊湊。折流桿換熱器的弱點(diǎn)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(huán)支撐結(jié)構(gòu)

    空心環(huán)管殼式換熱器是將小直徑金屬短管(即空心環(huán))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(jìn)流體擾動(dòng)。空心環(huán)支撐往往與強(qiáng)化管組合使用，如縮放管、低肋管、花瓣管等，強(qiáng)化流體縱向沖刷時(shí)的對(duì)流換熱。空心環(huán)換熱器殼側(cè)空隙率大、壓降小，可使殼側(cè)流體的大部分輸送功作用在強(qiáng)化管的粗糙表面上來促進(jìn)近壁流體湍流，降低傳熱熱阻，達(dá)到強(qiáng)化傳熱的目的。

               
    空心環(huán)支撐的擾流作用不如折流桿支承，而且管束固定工藝相對(duì)較復(fù)雜。

    2.2.4管子自支撐結(jié)構(gòu)

    近年來開發(fā)出的自支撐管，不僅簡(jiǎn)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(diǎn)接觸來支撐管子，同時(shí)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(jìn)一步增強(qiáng)。

    3·結(jié)論

    （1）目前，以采用強(qiáng)化傳熱元件和改進(jìn)換熱器結(jié)構(gòu)為主的強(qiáng)化傳熱技術(shù)是一種能顯著改善換熱器傳熱性能的節(jié)能技術(shù)。

    （2）強(qiáng)化傳熱技術(shù)的研究大多屬于經(jīng)驗(yàn)或半經(jīng)驗(yàn)性的，往往是依據(jù)各自的經(jīng)驗(yàn)與分析，設(shè)計(jì)出不同的強(qiáng)化換熱元件，然后，利用實(shí)驗(yàn)研究的方法，給出實(shí)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式或準(zhǔn)則關(guān)系式，存在的根本問題是在傳熱得到強(qiáng)化的同時(shí)，流動(dòng)阻力也隨之增加。通常情況下，流動(dòng)阻力的相對(duì)增加量要大于換熱的相對(duì)增加量。因此，在增加傳熱系數(shù)的同時(shí)，應(yīng)注意控制流體阻力的增加。

    （3）根據(jù)傳熱物流條件的不同情況，殼程傳熱強(qiáng)化的研究必然與強(qiáng)化傳熱管的優(yōu)化組合相聯(lián)系，這是今后換熱器強(qiáng)化傳熱技術(shù)發(fā)展的方向。同時(shí)，新技術(shù)、新方法的應(yīng)用，如流體數(shù)值計(jì)算法（C F D）、電場(chǎng)強(qiáng)化傳熱技術(shù)、流體添加納米粒子技術(shù)等把換熱器強(qiáng)化傳熱理論研究和新技術(shù)開發(fā)方面帶入到了更高層次的探索階段。

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作者簡(jiǎn)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(shè)備節(jié)能研究。