管殼式換熱器殼程的傳熱強化

李若蘭，丁 杰，霍正齊

( 武漢新世界制冷工業(yè)有限公司，湖北 武漢 430023 )

1 引言

世界能源危機的應(yīng)對策略之一是節(jié)能減排。強化傳熱技術(shù)表面上是力求換熱器單位面積、單位時間內(nèi)傳遞熱量盡可能多的技術(shù)，實質(zhì)上是實現(xiàn)節(jié)能：提高換熱效率實現(xiàn)設(shè)備投資費用最低；減少能量損失實現(xiàn)設(shè)備運行能量損耗最低。強化傳熱技術(shù)在石油、化工、動力、核能、制冷、乃至國防工業(yè)等領(lǐng)域中己經(jīng)得到廣泛應(yīng)用。

傳熱的基礎(chǔ)設(shè)備是換熱器，管殼式換熱器在換熱器中占主導(dǎo)地位，其不僅結(jié)構(gòu)堅固,同時具有高度的可靠性和廣泛的適應(yīng)性,目前管殼式換熱器的用量約占全部換熱器70%[1]。管殼式換熱器的強化傳熱有重大現(xiàn)實意義，

提高管殼式換熱器的傳熱效率,一般從兩個方面,一方面是改善殼程結(jié)構(gòu)，促進(jìn)流體湍流，提高殼程換熱效率，另一方面是強化換熱元件—換熱管，提高換熱管的傳熱效率。

殼程傳熱強化途徑,其一是換熱管外表面?zhèn)鳠釓娀Ａ硪煌緩绞怯行ЫM織、引導(dǎo)殼程流體的流動，減少速度矢量與熱流矢量的夾角[2],促進(jìn)速度場和熱流場的協(xié)同，實現(xiàn)傳熱效果最佳；減少或消除殼程介質(zhì)流動與傳熱的滯留死區(qū)，使得傳熱面積得到充分的利用。

管殼式換熱器殼流體流動導(dǎo)流結(jié)構(gòu)引導(dǎo)流體流動同時對換熱管束起支撐作用。工程上應(yīng)用的導(dǎo)流結(jié)構(gòu)按照結(jié)構(gòu)形式有：板式導(dǎo)流結(jié)構(gòu)、桿式導(dǎo)流結(jié)構(gòu)、螺旋導(dǎo)流結(jié)構(gòu)、空心環(huán)網(wǎng)板導(dǎo)流結(jié)構(gòu)、旋流網(wǎng)板支撐導(dǎo)流結(jié)構(gòu)和管子自支撐導(dǎo)流結(jié)構(gòu)類型。

2 板式導(dǎo)流結(jié)構(gòu)

板式導(dǎo)流結(jié)構(gòu)：主要有弓形折流板、圓盤-圓形折流板、整圓形折流板。

2.1 弓形折流板

弓形折流板是傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形式，實際應(yīng)用的有單弓形(圖1)、雙弓形(圖2)、三弓形(圖3)。

圖1 單弓形

圖2 雙弓形

圖3 三弓形

圖4 圓盤-圓形

其中單弓形工藝成熟,應(yīng)用廣泛，其結(jié)構(gòu)尺寸：缺口大??；折流板直徑偏差；折流板間距；折流板上換熱管孔的間距及偏差等參數(shù)列入換熱器設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)(GB151《熱交換器》)，實際工程設(shè)計直接參照標(biāo)準(zhǔn)指引非常方便省事。

單弓形折流板，流體的換熱主流區(qū)(橫掠管束部分)接近錯流傳熱，主流區(qū)外折流板缺口附近為順流，在折流板與殼壁處流體產(chǎn)生旋流或滯留，形成傳熱死區(qū)。順流區(qū)、滯留區(qū)存在使得一臺換熱設(shè)備約有25%～30%能力損耗[3]。另外流體橫掠管束阻力大，同時誘導(dǎo)換熱管振動，最終不僅設(shè)備運行消耗的能源增加，振動激發(fā)換熱管在折流板接觸處被切割破壞，造成設(shè)備毀損。

雙弓形折流板是在單弓形折流板上發(fā)展起來的。采用相同折流板間距和相同缺口的雙弓形折流板其壓降明顯要比單弓形折流板低。雖然傳熱系數(shù)也會降低但因它與速度的0.6次方成比例，因此傳熱系數(shù)的降低要比壓強的降低少得多。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為可比設(shè)備相應(yīng)值的30%～50%,而傳熱系數(shù)是可比設(shè)備相應(yīng)值得60%～80%[4]。因此，在殼程壓降受限的情況下采用雙弓形折流板。

三弓形折流板類似雙弓形折流板,適用于殼程低壓降,大流量的場合。

2.2 圓盤-圓環(huán)折流板

圓盤-圓環(huán)折流板殼程流動形式及折流板結(jié)構(gòu)示意如圖4。

盤環(huán)形折流板管殼式局部傳熱傳質(zhì)分析實驗[5]顯示：單弓形折流板和圓盤-圓環(huán)折流板內(nèi)部結(jié)構(gòu)配置相同時，對于相同的雷諾數(shù)，具有相同的體積流量，由于盤環(huán)形擋板的流速較低，所以盤環(huán)形擋=折流板的熱傳遞大概為單弓形折流板的78%。但是，盤環(huán)形折流板的壓降只為單弓形折流板的55%。但是盤環(huán)型換熱器的效率比單弓形折流板高，傳熱壓降之比如圖5。

圖5 圓盤-圓環(huán)折流板、單弓形折流板傳熱壓降之比

盤環(huán)形折流板換熱器的傳熱壓降效能明顯比單弓形折流換熱器高。圓盤-圓環(huán)折流板適宜用于大流量、壓降小的場合。

圓盤-圓環(huán)折流板沒有單弓形折流板那樣的普及程度，主要原因是制造工藝問題以及缺少傳熱、壓降可比信息。

2.3 圓形折流板

圓形折流板是整圓板制作，其結(jié)構(gòu)形式如圖6。

圖6 整圓型折流板

圓板上除了換熱管的管孔外,另有供殼程流體流動的通道：大圓孔、方孔、梅花形孔、三角孔換熱管與孔同軸,流體從換熱管與管孔之間的間隙通過，這種結(jié)構(gòu)顯然對換熱管的支撐缺乏；小圓孔、網(wǎng)狀孔分別為在管孔周圍規(guī)律開設(shè)小于換熱管孔的圓孔、打通部分管橋作為殼程流體通道。這兩種結(jié)構(gòu)對換熱管的支撐效果優(yōu)異。

整圓導(dǎo)流結(jié)構(gòu)有效防止弓形折流板殼程的漏流、滯留，同時流體通過間隙的孔板“節(jié)流效應(yīng)”使流體產(chǎn)生波動和二次流使湍流加劇，有效提高傳熱效果[6]。

實驗表明[7]，實驗條件下網(wǎng)孔狀折流板換熱器殼程換熱系數(shù)與弓形折流板換熱器相當(dāng)，但壓力降較低，但綜合性能指標(biāo)是弓形折流板的1.27倍。方孔、梅花形孔、三角形孔的綜合性能均低于弓形折流板。

3 桿式導(dǎo)流結(jié)構(gòu)

桿式導(dǎo)流結(jié)構(gòu)實質(zhì)上將折流板改成桿組合，桿的形式有圓桿、扁鋼、波形扁鋼。

圓桿導(dǎo)流結(jié)構(gòu)如圖7。

圖7 圓桿折流桿支撐，管子四方形排布

圖8 波紋折流桿支撐，管子三角形排布

折流桿四個為一組，從四個方向控制管子的位置，換熱管呈四方形排布，三個為一組從三個方向控制換熱管位置，管子呈三角形排布。這種結(jié)構(gòu)是將板式支撐更改成桿式支撐，最初的目的是為了解決換熱器運行中，弓形折流板引導(dǎo)的流體橫向流動時，誘導(dǎo)管子振動而后被折流板的切割破壞問題[8]。實際上這種結(jié)構(gòu)使得流體的速度矢量場和溫度場協(xié)同作用增強，同時消除流動滯留區(qū)使得傳熱性能提高的同時殼程壓力降低。傳熱性能是弓形折流板的1.4～2.4倍，壓力降比弓形折流板低1/4[9]。

扁鋼、波形扁鋼的采用進(jìn)一步改善換熱管的支撐，將圓桿對換熱管的“點”支撐分別改成“線”支撐和局部“面”支撐。

4 螺旋折流板導(dǎo)流結(jié)構(gòu)

螺旋折流板結(jié)構(gòu)如圖9。

圖9 連續(xù)螺旋折流板及換熱管

折流板成螺旋形狀，引導(dǎo)流體沿中心作螺旋流動，流動速度從殼體中心到殼體邊緣的速度梯度使流體換熱管表面產(chǎn)生湍流，減薄邊界層，提高傳熱效果；螺旋折流板消除傳統(tǒng)弓形折流板的流動死區(qū),充分發(fā)揮換熱器的能力。螺旋折流板的綜合性能優(yōu)于弓形折流板。但連續(xù)折流板的加工難度大，限制了推廣應(yīng)用。工業(yè)上用1/4扇形折流板呈螺旋狀沿殼體軸線方向推進(jìn)，這種方式的折流板結(jié)構(gòu)也能提高換熱器的效果，但是存在漏流，降低了換熱器的能力。小流量下漏流可能導(dǎo)致?lián)Q熱效果極差。

Stehlik P對螺旋折流板的試驗得出一定的相同條件下,螺旋折流板與弓形折流板相比換熱器的傳熱系數(shù)提高1.8倍,流動阻力減少25%[10]。

光滑管螺旋折流板換熱器的傳熱和流阻性能的中試實驗[11]，得出對于低粘度流體，相同流量下單位壓降的殼程對流傳熱系數(shù)，螺旋折流板換熱器約為普通弓形折流板換熱器的2.4倍；對于高粘度流體，相同流量下單位壓降的殼程對流傳熱系數(shù)，螺旋折流板換熱器約為普通弓形折流板換熱器的1.5倍。

實際運行顯示螺旋折流板不僅提高換熱效果，降低壓力降，同時減少污垢沉積。

5 空心環(huán)導(dǎo)流結(jié)構(gòu)

空心環(huán)導(dǎo)流板構(gòu)成如圖10所示。

圖10 空心環(huán)導(dǎo)流板

空心環(huán)由直徑小于換熱管的圓管截成短截，均勻地分布于同一截面上，與換熱管子呈線性接觸，使管束相對緊密固定。采用空心環(huán)管支承可大幅減少殼程流體壓降。同時結(jié)合強化傳熱管，如縮放管、菱形管等,可以提高管殼式傳熱綜合性能。傳統(tǒng)弓形折流板光滑管管殼式換熱器與空心環(huán)縮放管管殼式換熱器在實際生產(chǎn)線上運行對比結(jié)果[12]顯示：傳熱效果提高97.8%～130%；總壓力降減少48.8%～59.9%，同時表明空心環(huán)縮放管結(jié)構(gòu)有良好防結(jié)垢功能。

6 旋流網(wǎng)板導(dǎo)流結(jié)構(gòu)

旋流片是一小段金屬紐帶(圖11)，其軸向投影是一個圓弧。實際旋流網(wǎng)板導(dǎo)流結(jié)構(gòu)類似空心環(huán)導(dǎo)流結(jié)構(gòu)，在空心環(huán)的位置安裝旋流片而成。流體自旋流是一種強化對流傳熱的有效手段[13]。流體經(jīng)過旋流片時，產(chǎn)生旋流運動，離開旋流片后，仍然保持相當(dāng)距離的自旋流，促動流體的速度場、溫度場協(xié)同，提高傳熱效率。采用旋流網(wǎng)板結(jié)構(gòu)和空心環(huán)導(dǎo)流結(jié)構(gòu)研究管殼式換熱器傳熱與流體阻力總體性能對比試驗研究[14],得出試驗條件下旋流網(wǎng)板結(jié)構(gòu)的傳熱與流體阻力綜合性能優(yōu)于空心環(huán)導(dǎo)流結(jié)構(gòu)，強化傳熱性能高出18%；旋流網(wǎng)板導(dǎo)流結(jié)構(gòu)2005年初始在硫酸工業(yè)投入應(yīng)用[15]，換熱器的傳熱性能較空心環(huán)管導(dǎo)流結(jié)構(gòu)提高15%～20%。

7 換熱管自支撐結(jié)構(gòu)

換熱管自支撐結(jié)構(gòu)的特點是管束支撐依靠換熱管外表面的突出部分相互支承。因此，管子排列緊湊，單位體積內(nèi)的換熱面積增大，管子間距小，可提高殼程流速，突出支撐干擾流體并分割流體邊界層，使傳熱邊界層減薄。傳熱管的截面形狀的變化對管內(nèi)、外流體的傳熱都起強化作用。管式自支承結(jié)構(gòu)主要形式：刺孔膜片式、螺旋扁管式、變截面管式和螺旋折流片式。

7.1 刺孔膜片

刺孔膜片管結(jié)構(gòu)如圖12。

圖11 旋流網(wǎng)板導(dǎo)流片

圖12 刺孔膜片管

刺孔膜片結(jié)構(gòu)是將每根換熱管兩側(cè)相距180°開溝槽,槽中嵌焊沖有孔和毛刺的膜片。多塊膜片將同一縱向平面上的一列管連接為一整體,并將整個殼程空間分隔為若干彼此平行的區(qū)間。刺孔膜片既是支撐元件,又是管壁的延伸,增大了單位體積內(nèi)的有效傳熱面積。對比實驗[16]表明管程相同條件下，刺孔膜片換熱器殼程壓降比弓形折流板換熱器降低45%，總傳熱特性比(總傳熱系數(shù)/管程壓降)是弓形折流板的1.5倍。

7.2 螺旋扁管

螺旋扁管截面為橢圓，由壓扁圓管或橢圓管扭曲而成，如圖13所示?？肯噜徆芡怀鎏幍狞c接觸支撐管子。殼程流體在通道內(nèi)螺旋結(jié)構(gòu)形成的通道內(nèi)流動時，做周期性的速度方向改變，強化了流體的縱向混合，同時流體經(jīng)過接觸點的繞流增加湍流程度從而強化傳熱。實際工業(yè)應(yīng)用[17]證實，應(yīng)用螺旋扁管換熱器可比普通管殼式換熱器節(jié)省換熱面積20%～50%。

7.3 變截面管

變截面管是換熱管軸線方向不同節(jié)距上的截面不同，或大小不同或形狀不同。截面形狀同大小不同的有縮放管、波節(jié)管；截面形狀不同的管，典型的結(jié)構(gòu)把普通圓管用機械方法相隔一定節(jié)距軋制成互成90°(正方形布管)或互成60°(三角形布管)的近橢圓形截面。兩者均利用管子變形截面的突出部位相互支撐而構(gòu)成導(dǎo)流結(jié)構(gòu)如(圖14)示意。

圖13 螺旋扁管

圖14 變截面管自支撐結(jié)構(gòu)

圖15 螺旋片管

殼程流體流經(jīng)管子與管子間的接觸點產(chǎn)生繞流以及流道截面的變化，增加流體的湍流，減薄管壁上的邊界層，提高傳熱效率。與光滑管管殼式換熱器比較，各種變截面管均能不同程度提高傳熱效率。提高的程度和變截面管的結(jié)構(gòu)尺寸，換熱流體性質(zhì)相關(guān)。

7.4 螺旋片管

螺旋片傳熱管通常是在光管外側(cè)焊接螺旋片。如(圖15)所示。

管外螺旋片增加換熱面積，同時殼程流體在螺旋片誘導(dǎo)下的旋流產(chǎn)生離心力，形成二次流，增強了流體湍流，減薄邊界層，有效提高換熱效率[18]。螺旋升角分別為45°、37 °、27 °、14 °。螺旋片管套管式換熱器實驗表明，螺旋片管換熱器的換熱系數(shù)是光滑管的1.3到4.2倍[19]。

螺旋片在換熱管外螺旋方向制成左旋和右旋。自支撐時相鄰換熱管螺旋方向相反布置。螺旋方向相反布置，流體在流道內(nèi)將形成“對渦”流動，增強換熱效果。

8 結(jié)語

不同導(dǎo)流結(jié)構(gòu)在不同工況，不同流體下的傳熱效果不同。不同導(dǎo)流結(jié)構(gòu)和不同的換熱管組合，傳熱效果不同。優(yōu)良的導(dǎo)流結(jié)構(gòu)組合強化換熱管能夠?qū)崿F(xiàn)殼程管程的同時強化而進(jìn)一步提高換熱器的傳熱效率。不同的導(dǎo)流結(jié)構(gòu)各有自身的長處和短處，各有適用的工況、適用的介質(zhì)。設(shè)計、選型時應(yīng)綜合考慮，使換熱器發(fā)揮最大的能力，最終實現(xiàn)節(jié)能。

[1] 潘文厚，楊啟明.管殼式換熱器節(jié)能技術(shù)研究[J].石油和化工設(shè)備,2007,(10):26-29

[2] 過增元.對流換熱的物理機制及其控制速度場與熱流場的協(xié)同[J].科學(xué)通報，2000,45(19):2118-2122

[3] 陳良，忻利藝.折流桿換熱器的制造和應(yīng)用[J].高橋石化，2002,17(6)：15-18

[4] 李爾國，俞樹榮，何世全.管殼式換熱器新型強化傳熱技術(shù)[J].石油化工設(shè)備，1999，2(6)：42-45

[5] 盤環(huán)形擋板管殼式換熱器殼側(cè)局部的傳熱傳質(zhì)分析[EB/OL].http:∥wenku.baidu.com/view/5938780bf12d2af90242e6c9.html

[6] 吳金星，曹玉春，王海峰，等.高效低流阻換熱器的開發(fā)應(yīng)用[J].冶金能源，2007,26(2)：50-54

[7] 盛艷軍，陳亞平，操瑞兵，等.異型孔隔板換熱器殼側(cè)傳熱與阻力性能的實驗研究[J].東南大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)，2012,42(3)：318-322

[8] 冉玲.折流桿換熱器[J].化肥設(shè)計，2005,43(5)：25-26

[9] 李安軍,邢桂菊,周麗雯.換熱器強化傳熱技術(shù)的研究進(jìn)展[J].冶金能源，2008,27(1)：50-54

[10] Stehlik P Nemcansky J.Kral D，et al.Comparison of correction f actor for shell-and-tube heat exchangers with segmental or helical baffles[J].Heat Transfer Engineering,1994,15(1):55-65

[11] 陳世醒，張克錚，張強.螺旋折流板換熱器的開發(fā)與研究[J].撫順石油學(xué)院學(xué)報，1998，18(3)：3l-35

[12] 鄭潮方.空心環(huán)縮放管管殼式換熱器的生產(chǎn)應(yīng)用[J].中國化工裝備，2007，9 (3) ：19-23

[13] S.K.Saha，A Dutta.Friction and heat transfer characteristics of laminar swirl flow through a circular tube fitted with regularly spaced twisted-tape elements[J]International Journal of Heat and Mass Transfer，2011，(44)： 4211-4223

[14] 王楊君.管殼式換熱器中自旋流的強化傳熱研究[D].廣州：華南理工大學(xué)，2005

[15] 鄧先和，洪蒙納.粗糙管換熱器帶自旋流的復(fù)合強化傳熱技術(shù)[J].化工進(jìn)展，2007，26(10)：1400-1403

[16] 周理，安福，徐越平.刺孔膜片式高效管殼換熱器的殼方特性研究[J].化工學(xué)報，1992，43(5)：599-607

[17] 鞠再堂.螺旋扁管換熱器[J].化工裝備技術(shù)，2003，24(5)：19-21

[18] 梅娜，陳亞平.螺旋折流片強化殼程傳熱研究[J].石油化工設(shè)備，2004，33(5)：1-4

[19] 張麗，田密密，吳劍華.螺旋片強化的套管式換熱器殼側(cè)傳熱特性[J].高?；瘜W(xué)工程學(xué)報，2011，25(1)：24-29