管殼式換熱器強(qiáng)化傳熱進(jìn)展

張輪亭，邱麗燦，王 臣

（中海油能源發(fā)展股份有限公司工程技術(shù)分公司, 天津 塘沽 300452）

管殼式換熱器強(qiáng)化傳熱進(jìn)展

張輪亭，邱麗燦，王 臣

（中海油能源發(fā)展股份有限公司工程技術(shù)分公司, 天津 塘沽 300452）

管殼式換熱器在石油化工領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，其強(qiáng)化傳熱技術(shù)的研究受到普遍關(guān)注。主要介紹了近年來國內(nèi)與國外高效節(jié)能管殼式換熱器強(qiáng)化傳熱技術(shù)研究的進(jìn)展情況，分別從管側(cè)、殼側(cè)和整體結(jié)構(gòu)改進(jìn)三方面分析了管殼式換熱器的強(qiáng)化傳熱效果及特點(diǎn)，最后提出了強(qiáng)化傳熱的發(fā)展方向。

管殼式換熱器；結(jié)構(gòu)改進(jìn)；強(qiáng)化傳熱；發(fā)展方向

管殼式換熱器具有一系列優(yōu)點(diǎn)，例如應(yīng)用廣泛、結(jié)構(gòu)簡單、成本低、易于清洗等，因此在石化、煉油等領(lǐng)域占據(jù)著重要地位。傳統(tǒng)的弓形折流板換熱器占總量的70%～80%，弓形折流板換熱器固然有其優(yōu)點(diǎn)，并為產(chǎn)業(yè)節(jié)能方面做出了巨大的貢獻(xiàn)，但在新的節(jié)能減排形勢下，其缺點(diǎn)（壓降大、流動死區(qū)、易結(jié)垢、震動、傳熱效果差）嚴(yán)重的限制了其發(fā)展和生存的空間，為了節(jié)能降耗，提高換熱器的傳熱效率，需要研發(fā)能夠滿足多種工業(yè)生產(chǎn)過程要求的高效節(jié)能換熱器。因此，近年來，高效節(jié)能換熱器的研發(fā)一直受到人們的普遍關(guān)注，國內(nèi)外先后推出了一系列新型高效換熱器［1］。

1 管程強(qiáng)化傳熱

管程強(qiáng)化傳熱主要有兩種方式，一是改變管子形狀或者提高換熱面積，如：螺旋槽管、旋流管、波紋管、縮放管、螺紋管等[2]；另一種就是增強(qiáng)管內(nèi)的湍流程度，例如，管內(nèi)設(shè)置各種形狀的插入物[3]。

1.1 螺旋槽管

螺旋槽管是通過專用軋管設(shè)備將圓管在其表面滾壓出螺旋線形的凹槽，管子內(nèi)部形成螺旋線形凸起，如圖1所示，管內(nèi)介質(zhì)流動時受螺旋線型槽紋的導(dǎo)向使靠近管壁的部分介質(zhì)沿槽紋方向螺旋流動，這就使得邊界層的厚度較大程度的減薄，提高換熱的效果；部分介質(zhì)沿著壁面縱向運(yùn)動，經(jīng)過槽紋凸起處產(chǎn)生縱向漩渦，促使邊界層分層，加速邊界層中介質(zhì)質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動，進(jìn)而加快了管壁處介質(zhì)與主體介質(zhì)的熱量傳遞[4,5]。

圖1 螺旋槽管Fig.1 Spirally corrugated tube

在常減壓原油-渣油換熱器中，傳熱系數(shù)可以提高1.2～1.5倍；美國argonne 國家實(shí)驗(yàn)室和GA技術(shù)公司研制的螺旋槽管換熱器，與光管相比，其傳熱性能提高2～4倍，對于單管性能試驗(yàn)，在阻力損失和受熱面相同時，傳熱量可增加30%～40%，在換熱量和壓降相同時，換熱面積可節(jié)省30%～40%，在換熱面積和換熱量相同時，壓降可減少60%～70%[6,7]。

1.2 波紋管

波紋管是將管子加工成內(nèi)外均呈連續(xù)波紋曲線的一種強(qiáng)化管，如圖2所示，使管子的縱向截面呈波形，由相切的大小圓弧構(gòu)成，管內(nèi)流體的流動狀態(tài)不斷變化，使流體的湍流程度增加從而強(qiáng)化傳熱，西安交通大學(xué)對北京廣廈環(huán)宇熱力設(shè)備開發(fā)有限公司生產(chǎn)的不銹鋼薄壁波紋管換熱器進(jìn)行了試驗(yàn)研究，以水為介質(zhì)時，管內(nèi)傳熱系數(shù)是光管的1.8～2.8倍，以機(jī)油為介質(zhì)時為 2.1～2.4倍，以煤油為介質(zhì)時為 2.2～3.2倍，材料為碳鋼時傳熱系數(shù)約為光管的1.5～2倍[8]。

圖2 波紋管Fig.2 Bellows

1.3 內(nèi)插物管

這種強(qiáng)化傳熱方法是基于管內(nèi)插入物能使介質(zhì)產(chǎn)生渦旋運(yùn)動，如圖3所示，從而增強(qiáng)流體的徑向混合，有助于介質(zhì)速度和溫度均勻分布，以增強(qiáng)傳熱，內(nèi)插物管尤其對低雷諾數(shù)、高黏度流體的傳熱更為有效。插入物的種類很多，如螺旋線、扭帶、螺旋片等，實(shí)驗(yàn)表明，在層流換熱時，管內(nèi)插入扭帶后，對流傳熱系數(shù)可增大2～3倍[4]。

圖3 內(nèi)插物管Fig.3 Insert tube

2 殼程強(qiáng)化傳熱

根據(jù)間壁傳熱原理分析，傳熱效果相對較低一側(cè)在大程度上影響著換熱設(shè)備的換熱效率，而這一側(cè)通常位于殼程，于是研究開發(fā)出了折流桿式、螺旋折流板式、曲面弓形折流板等換熱器。

2.1 折流桿換熱器

折流桿換熱器主要是將殼程的折流板改用折流桿來固定管束，每根換熱管由四根桿條從上下左右四個方向固定，使管子在流體的作用下不易產(chǎn)生振動。20世紀(jì)中后期，美國飛利浦石油公司為了改善管殼式換熱器中換熱管與折流板間的相互切割磨損和流體誘導(dǎo)震動，研制了殼程介質(zhì)呈縱向流的折流桿式換熱器，如菲利普公司使用螺紋管作為換熱管，比傳統(tǒng)的弓形折流板換熱器傳熱系數(shù)提高30%左右，壓降減少50%。華南理工大學(xué)和大慶石油化工總廠共同開發(fā)了折流桿螺旋槽管再沸器應(yīng)用在無相變及有相變冷凝傳熱方面，其總傳熱系數(shù)比普通光管再沸器提高了 1.2～1.7倍，有效的避免了震動破壞[9]。目前，一些單位把圓鋼條變?yōu)楸怃摋l、波形扁鋼、準(zhǔn)橢圓截面的桿等，都取得了良好的效果，通常情況下，這種結(jié)構(gòu)只適用于大流量的情況[10]。

圖4 折流桿換熱器Fig.4 Rod baffle heat exchanger

2.2 螺旋折流板換熱器

螺旋折流板換熱器采用若干塊1/4殼程截面的扇形板組裝成螺旋狀折流板，如圖5所示，使殼程介質(zhì)呈螺旋狀流動，其介質(zhì)流動的返混較少，幾乎不存在死區(qū)，同時在離心力的作用下介質(zhì)與換熱管接觸后會脫離管壁而產(chǎn)生尾流，使邊界層分離充分，改善了傳熱效果，相同流量條件下壓降最大可以降低45%；同時螺旋折流板又能在較低壓降下使介質(zhì)產(chǎn)生較大的流速，提高了雷諾數(shù)，從而使得傳熱數(shù)顯著提高，傳熱系數(shù)可提高20%～30%；最大特點(diǎn)是單位壓降下的換熱系數(shù)高，螺旋折流板換熱器尤其適用于殼程壓力、污垢熱阻、流體誘導(dǎo)震動要求比較嚴(yán)格的場合，對于高粘度流體效果更加突出[4]。20世紀(jì)90年代初由ABB公司開發(fā)，在實(shí)際應(yīng)用中取得了良好的效果[11]。

圖5 螺旋折流板換熱器Fig.5 Heat exchangers with helical baffles

2.3 曲面弓形折流板換熱器

曲面弓形折流板換熱器是一種新型管殼式換熱器，如圖6所示，折流板的曲面是圓弧面，每塊折流板曲面外凸側(cè)朝向殼程流體進(jìn)口，利用圓弧形折流板使被導(dǎo)流后的殼程流體流動曲線趨于光滑，并與介質(zhì)流通通道相一致，顯著改善殼程介質(zhì)的流速分布情況，流動死區(qū)、傳熱死區(qū)明顯減少，與傳統(tǒng)弓形折流板換熱器相比，曲面弓形折流板換熱器殼程膜傳熱系數(shù)增加 3%～11%，壓降下降了 9%～24%[12,13]。

圖6 曲面弓形折流板換熱器Fig.6 Curved baffle heat exchanger

3 整體強(qiáng)化

整體強(qiáng)化通常是將管程和殼程強(qiáng)化聯(lián)合起來，從而取得更高的強(qiáng)化傳熱效果，例如，螺旋折流板與波紋管相結(jié)合，或者折流桿與波紋管相結(jié)合等；還有一種就是通過改變管子形狀使得管殼程傳熱均得以強(qiáng)化，例如，螺旋扁管換熱器、變截面管換熱器、交錯扁管換熱器等。

3.1 螺旋扁管

螺旋扁管換熱器是瑞典 Allares公司近年來推出的一種高效換熱元件。螺旋扁管換熱器的換熱管采用螺旋扁管，螺旋扁管是把圓管在壓扁的同時進(jìn)行 360°扭曲，相鄰管子保持螺旋線點(diǎn)接觸以支撐管子，管內(nèi)外均形成螺旋形通道，介質(zhì)呈螺旋狀運(yùn)動，由于離心力的作用，介質(zhì)運(yùn)動時速度和方向發(fā)生周期性的改變，增強(qiáng)了介質(zhì)的徑向混合和湍流程度，強(qiáng)化傳熱過程[14,15,16,17]，而且殼程介質(zhì)整體上呈縱向流動狀態(tài)，也大大降低了管束震動，如圖7所示；由于流體的螺旋運(yùn)動趨勢，湍流程度較大，還可以改善殼程中常出現(xiàn)的油污附著換熱管表面和雜質(zhì)沉積對傳熱不利的現(xiàn)象；殼程中沒有折流板，無流動死區(qū)，使得傳熱面積充分利用，壓降降低，這些都有效地提高了設(shè)備的整體傳熱效果[18,19]。與傳統(tǒng)弓形折流板換熱器相比，通常相同壓降下?lián)Q熱系數(shù)會高出40%，或者反過來說，相同換熱系數(shù)時壓降會減半，整體的效果就是相同的熱負(fù)荷時，螺旋扁管換熱器比傳統(tǒng)換熱器換熱面積有很大縮小。

圖7 螺旋扁管換熱器殼程與管程流動狀態(tài)Fig.7 Flow state in shell side and tube side of twisted tube heat exchanger

3.2 變截面管式

變截面管與螺旋扁管的傳熱機(jī)理基本相似，均是通過改變管型強(qiáng)化傳熱。變截面管靠凸起部分與相鄰管子接觸支撐管子，殼程中不設(shè)置折流板，相鄰管子中心距小，管子布置緊密，單位體積內(nèi)的換熱面積增加；由于相鄰管子中心距小，殼程流速得到提高，湍流程度加強(qiáng)，減薄了管壁上的邊界層，提高傳熱效率；同時由于換熱管形狀的連續(xù)變化，強(qiáng)化了管內(nèi)、外介質(zhì)的換熱[16,20,21,]，如圖8所示。

圖8 變截面管Fig.8 Varying section tube

4 傳熱強(qiáng)化的發(fā)展趨勢

管殼式換熱器的發(fā)展總體上是支撐式的發(fā)展，從弓形折流板式支撐，到折流桿式支撐最后到管子的自支撐，隨著殼程支撐結(jié)構(gòu)的改變，管殼式換熱器的殼程膜傳熱系數(shù)表現(xiàn)為連續(xù)提高的發(fā)展趨勢，壓降表現(xiàn)為不斷降低的發(fā)展趨勢，換熱器的綜合傳熱性能得到明顯的提升。

（1）隨著計(jì)算流體力學(xué)和計(jì)算傳熱學(xué)的快速發(fā)展，數(shù)值模擬是對換熱器進(jìn)行傳熱強(qiáng)化研究的實(shí)用工具，能夠預(yù)測傳熱過程的影響因素，且方法簡單、效率高、費(fèi)用低；

（2）借助先進(jìn)儀器，如激光測速、紅外攝像儀等“可視化技術(shù)”，深入研究換熱器的流場分布和溫度場分布，徹底弄清強(qiáng)化傳熱的機(jī)理。

（3）開發(fā)新型高效節(jié)能換熱器，如纏繞管式、微尺度等緊湊式換熱器，這將在高新技術(shù)領(lǐng)域中具有廣泛的應(yīng)用前景。

［1］矯明，徐宏，程權(quán)，張倩?．新型高效換熱器發(fā)展現(xiàn)狀及研究方向[J]．化工設(shè)計(jì)通訊，2007，33（3）：50-55．

［2］來誠峰，段茲華．新型管殼式換熱器的技術(shù)研究[J]．化工進(jìn)展，2006，25：382-386．

［3］齊洪洋，高磊，張瑩瑩，等．管殼式換熱器強(qiáng)化傳熱技術(shù)概述[J]．壓力容器，2012，29（7）：73-77．

［4］崔海亭，彭培英．強(qiáng)化傳熱技術(shù)及其應(yīng)用[M]．北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2006：12-14.

［5］吳立軍，陳旭，戚思清．管殼式換熱器的優(yōu)化設(shè)計(jì)[D]．天津：天津大學(xué)，2009．

［6］陳聽寬．對流受熱面強(qiáng)華傳熱研究[J]．工業(yè)鍋爐，2004,（2 ）：1-7．

［7］崔海亭，汪云．高效異形強(qiáng)化管的研究現(xiàn)狀及發(fā)展方向[J]．石油機(jī)械，1999(7):48-50．

［8］邱廣濤，豐春艷．波紋管式換熱器（一）[J]．管道技術(shù)與設(shè)備，1998（1）：43-45.

［9］馬驍馳．國內(nèi)外新型高效換熱器[J]．化工進(jìn)展，2001（1）：49-51．

［10］董其伍，劉敏珊，蘇立建．管殼式換熱器研究進(jìn)展[J]．化工設(shè)備與管道，2006，43（6）：18-22．

［11］王秋旺．螺旋折流板管殼式換熱器殼程傳熱強(qiáng)化研究進(jìn)展[J]．西安交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2004，38（9）：881-886．

［12］錢才富，高宏宇，孫海洋．曲面弓形折流板換熱器殼程流體流動與傳熱[J]．化工學(xué)報(bào)，2011，62（5）：1233-1238．

［13］高宏宇，錢才富．曲面弓形折流板換熱器殼程壓力降的數(shù)值模擬[J]．壓力容器，2011，27（2）：24-27．

［14］金曉明，高磊，張瑩瑩等．無折流板扭曲扁管熱交換器傳熱與阻流特性試驗(yàn)研究[J]．石油化工設(shè)備，2011，40（1）：17-20．

［15］來誠峰，段茲華．新型管殼式換熱器的技術(shù)研究[J]．化工進(jìn)展，2006，25：382-386．

［16］吳金星，耿志強(qiáng)，劉敏珊，董其伍．縱流式管束支撐物的結(jié)構(gòu)及性能對比[J]．河南化工，2002，3：4-6．

［17］張杏祥，桑芝富．螺旋扭曲扁管換熱器傳熱與流阻特性研究[D]．南京：南京工業(yè)大學(xué)，2006．

［18］R.Donald Morgan，Twist Tube Heat Exchanger Technology [R]．Houston，Brown Fintube Company,1988．

［19］D.Butterworth, A.RGuy, and J.J.Welkey，Design and Application of Twisted Tube Heat Exchanger[J]．Advance in industrial heat transfer，1996，18(4)：87-95．

［20］董其伍，劉敏珊，蘇立建．管殼式換熱器研究進(jìn)展[J]．內(nèi)蒙古石油化工，2006，1：1-4．

［21］吳金星，劉敏珊，董其伍，魏新利．換熱器管束支撐結(jié)構(gòu)對殼程性能的影響[J]．化工機(jī)械，2002，29（2）：108-112．

Research Progress in Heat Transfer Enhancement Technology of Shell and Tube Heat Exchangers

ZHANG Lun-ting，QIU Li-can，WANG Chen
(CNOOC Energy Development Co., Ltd. Engineering and Technology Branch, Tianjin 300452，China)

The tube and shell heat exchanger is widely used in the petrochemical field; research on the heat transfer enhancement technology is widely concerned. In this paper, research progress in the heat transfer enhancement technology of high efficiency shell and tube heat exchangers was introduced. From three aspects of the tube side, the shell side and the overall improvement, effect and features of the heat transfer enhancement of shell and tube heat exchangers were analyzed. At last, the development direction of the enhanced heat transfer technology was put forward.

Shell and tube heat exchanger; Improvement; Heat transfer enhancement; Development direction

TQ 051

A

1671-0460（2014）11-2322-03

2014-04-14

張輪亭（1966-），男，遼寧撫順人，工程師，1990年畢業(yè)于撫順大學(xué)化工專業(yè)，研究方向：從事熱采設(shè)備研發(fā)、管理等技術(shù)工作。E-mail：1300554825@qq.com。