管殼式換熱器強(qiáng)化傳熱技術(shù)的途徑及應(yīng)用

王小翠（阿爾斯通（武漢）工程技術(shù)有限公司，湖北武漢 430205）

管殼式換熱器強(qiáng)化傳熱技術(shù)的途徑及應(yīng)用

王小翠
（阿爾斯通（武漢）工程技術(shù)有限公司，湖北武漢 430205）

從傳熱公式出發(fā)，分析了管殼式換熱器傳熱強(qiáng)化的主要途徑；從強(qiáng)化傳熱的原理出發(fā)，介紹了管殼式換熱器強(qiáng)化傳熱技術(shù)的發(fā)展方向及常見應(yīng)用。

管殼式換熱器；強(qiáng)化傳熱；總傳熱系數(shù)

強(qiáng)化傳熱可以大幅度提高換熱器的效率，即在保證設(shè)備傳熱量不變的情況下使其結(jié)構(gòu)更加緊湊，節(jié)約材料，降低成本，節(jié)約能源，同時(shí)滿足設(shè)備安裝空間有限等特殊要求。其中，管殼式換熱器由于其適用性廣、處理能力大、結(jié)構(gòu)簡單、清洗方便、能適應(yīng)高溫高壓等特點(diǎn)，一直是石油、化工、核電等行業(yè)應(yīng)用最普遍的一種換熱器。如制氫裝置中高溫氣體（T=～1000℃，P=～10MPa）的冷卻器多為管殼式[1]，核電系統(tǒng)中應(yīng)用最廣的換熱器也為管殼式，因此，在設(shè)計(jì)過程中如何最大程度的有效利用強(qiáng)化傳熱技術(shù)，顯著改善管殼式換熱器傳熱性能，是設(shè)計(jì)人員應(yīng)該關(guān)注的重點(diǎn)。

1　根據(jù)傳熱方程分析強(qiáng)化傳熱的途徑

根據(jù)總傳熱方程：

可知，強(qiáng)化傳熱的途徑有提高總傳熱系數(shù)K、擴(kuò)展傳熱面積A和加大對數(shù)平均溫差△tm。

1.1提高傳熱系數(shù)K

提高總傳熱系數(shù)是強(qiáng)化傳熱過程的積極措施，根據(jù)總傳熱系數(shù)計(jì)算公式：

式中，h1、h2分別為殼程對流換熱系數(shù)、管程對流換熱系數(shù)，顯而易見，總傳熱系數(shù)會(huì)隨著h1、h2的增大而增大，設(shè)計(jì)中，通常通過加大雷諾數(shù)Re，增加管程或殼程數(shù)，增加折流板等方法試算。另外，根據(jù)反復(fù)驗(yàn)算易知，當(dāng)h1＜h2時(shí)，h1增大，K值會(huì)顯著增大，直至h1=h2，這時(shí)，如果公式中h1繼續(xù)增大，K值增大的速度越來越慢，后來，幾乎不在增加。因此，當(dāng)h1、h2兩者差別較大時(shí)，我們在設(shè)計(jì)過程中應(yīng)考慮如何增大小者，而當(dāng)兩者差別不大時(shí)，應(yīng)設(shè)法同時(shí)提高兩側(cè)的對流換熱系數(shù)，否則，應(yīng)考慮其他途徑。

式中，r0、ri分別是殼程污垢熱阻和管程污垢熱阻，從公式中可以看出，要擴(kuò)大傳熱系數(shù)，當(dāng)污垢熱阻較大時(shí)，可以設(shè)法減小殼程或管程的熱阻。特別應(yīng)盡量減小兩者中的較大者。在換熱器使用過程中，污垢熱阻不是一個(gè)固定值。在設(shè)備前期投入使用時(shí)，換熱管內(nèi)外清潔度都較高，污垢熱阻較小。但隨著使用年限的增加，污垢逐漸吸附在傳熱面上，成為降低傳熱效率的主要因素。因此，可通過加大流體流速（流速增大的同時(shí)壓降會(huì)顯著增大，需保證流速提高的同時(shí)壓降仍然在許可范圍內(nèi)）、保證管壁材料的光潔度以及保證必要的清洗頻率，以此延緩污垢的形成或使污垢清洗方便等措施降低殼程污垢熱阻和管程污垢熱阻。

1.2擴(kuò)展傳熱面積A

必須強(qiáng)調(diào)擴(kuò)展傳熱面積并不是簡單靠增大換熱器的尺寸來實(shí)現(xiàn)，而是要從設(shè)備的結(jié)構(gòu)入手，合理地提高設(shè)備單位體積的傳熱面積，如在設(shè)備壓降滿足要求的前提下減小換熱管管徑，相同重量的換熱管，管徑越小換熱面積越大，同時(shí)也可以改進(jìn)傳熱面的結(jié)構(gòu)，如通過軋制、沖壓等成型工藝將換熱面加工成凹凸?fàn)?、波紋型等代替?zhèn)鹘y(tǒng)的光管。

1.3加大對數(shù)平均溫差△tm

對數(shù)平均溫差主要由冷熱兩種流體的進(jìn)出口溫度所決定，可以從結(jié)構(gòu)上采用逆流的方式或接近于逆流的流動(dòng)排布型式以得到較大的△tm。

另外，在條件允許的情況下，盡量提高熱流體的溫度，降低冷流體的溫度，如果加熱流體是飽和水蒸氣，我們可以設(shè)法通過提高蒸汽壓力來增大飽和蒸汽的溫度，從而提高對數(shù)平均溫差；但實(shí)際操作中，在加大對數(shù)平均溫差時(shí)不能單一盲目的追求對數(shù)平均溫差的增加，應(yīng)兼顧整個(gè)系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性。

2　常見強(qiáng)化傳熱技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用

2.1管側(cè)強(qiáng)化傳熱

管側(cè)強(qiáng)化傳熱主要是異型強(qiáng)化傳熱管的研究，通過改變傳熱面的形狀，擴(kuò)大傳熱面積強(qiáng)化管程傳熱，用強(qiáng)化管代替原用的光滑管是一種行之有效的方法，常見的強(qiáng)化傳熱管有螺旋槽紋管、橫紋管、螺紋管、表面多孔管、縮放管、波紋管等。實(shí)現(xiàn)高效換熱管結(jié)構(gòu)和制造技術(shù)的簡單化，降低成本，是推廣各種高效換熱管的前提，也是管側(cè)強(qiáng)化傳熱的發(fā)展方向。

（1）螺旋槽紋管，亦稱螺旋槽管。螺旋槽紋管是一種優(yōu)良的凹凸的螺旋形槽的高效異形強(qiáng)化傳熱管件，螺旋槽紋管與其他強(qiáng)化管相比，具有易于制造、結(jié)垢少及較好的傳熱性能等優(yōu)點(diǎn)。

（2）螺紋管。螺紋管一般是由鋼管經(jīng)環(huán)向滾壓軋制而成的整體低翅片管，其螺紋狀的低翅片與管子構(gòu)成一體，外表面是螺旋形的凹槽，內(nèi)表面是螺旋形的凸起。鄭州大學(xué)對結(jié)構(gòu)尺寸相同的光管和外螺紋管換熱器在相同條件下進(jìn)行換熱實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明，外螺紋管換熱器可比光管換熱器提高總傳熱系數(shù)10%～17%。

2.2殼側(cè)強(qiáng)化傳熱

傳統(tǒng)換熱器使用最普遍的殼程結(jié)構(gòu)是弓形折流板式換熱器，其結(jié)構(gòu)簡單，加工容易，但阻流與壓降大，換熱效率較低，現(xiàn)在許多實(shí)際應(yīng)用中已被下述換熱器逐漸取代。

（1）螺旋折流板式換熱器。它具有連續(xù)的螺旋曲面，在折流時(shí)，流體處于近似螺旋流動(dòng)狀態(tài)。相比于弓形折流板，在相同工況下，總傳熱系數(shù)可提高約1/4，在相同熱負(fù)荷下，大大減小換熱器尺寸。

（2）折流桿換熱器。折流桿換熱器不同于常規(guī)的垂直弓形板換熱器，它是用折流桿取代折流板固定管束的支承結(jié)構(gòu)，這種獨(dú)特的設(shè)計(jì)，殼程阻力損失比常規(guī)弓形折流板換熱器減少30%左右，同時(shí)可以有效克服管束振動(dòng)，它也沒有傳統(tǒng)板式支承結(jié)構(gòu)死角引起的腐蝕，從而延長設(shè)備使用壽命。

3　結(jié)束語

一直以來，人們對于如何提高管殼式換熱器的強(qiáng)化傳熱根據(jù)各自的經(jīng)驗(yàn)與分析進(jìn)行大量的研究，綜上所述，在強(qiáng)化傳熱實(shí)現(xiàn)的同時(shí)往往流動(dòng)阻力會(huì)迅速增加，制造工藝難度會(huì)加大，因此，強(qiáng)化傳熱也不能簡單只關(guān)注換熱效率的加強(qiáng)，強(qiáng)化傳熱應(yīng)權(quán)衡利弊，綜合考慮設(shè)備利用率、節(jié)約能源、滿足特殊工藝等要素，從而獲得經(jīng)濟(jì)合理的強(qiáng)化傳熱方案。

Shell and Tube Heat Exchanger Heat Transfer Enhancement Technology Ways and Application

Wang Xiao-cui

From the heat transfer equation，the analysis of the main ways Shell and Tube Heat Exchanger enhanced；departure from the principle of heat transfer enhancement introduces shell and tube heat exchangers to strengthen the development direction of heat transfer technology and common applications.

shell and tube heat exchanger；heat transfer enhancement；the overall heat transfer coefficient

TK172

B

1003-6490（2016）03-0060-02

2016-03-18

王小翠（1983—），女，貴州遵義人，工程師，主要從事化工設(shè)備設(shè)計(jì)工作。