管殼式換熱器換熱管的傳熱強(qiáng)化分析

高慧

（中國(guó)石油遼陽石化公司機(jī)械檢修部，遼寧 遼陽 111003）

管殼式換熱器換熱管的傳熱強(qiáng)化分析

高慧

（中國(guó)石油遼陽石化公司機(jī)械檢修部，遼寧 遼陽 111003）

為了推動(dòng)石油化工行業(yè)更好的發(fā)展，許多企業(yè)開始將管殼式換熱器應(yīng)用到生產(chǎn)中來，這不僅提高了工作效率，同時(shí)也節(jié)省了大量的人力、管殼式換熱器成本和物力資源，因此管殼式換熱器得到了人們的廣泛關(guān)注。本篇文章就主要對(duì)換熱器傳熱強(qiáng)化的作用進(jìn)行闡述，并對(duì)管殼式換熱器換熱管的傳熱強(qiáng)化進(jìn)行充分的分析。希望通過本文的闡述，可以給管殼式換熱器未來的應(yīng)用方面提供些許的參考意見。

管殼式換熱器；強(qiáng)化傳熱；殼程；管程

管殼式換熱器不僅可以應(yīng)用在石油化工產(chǎn)業(yè)中來，同時(shí)也可以應(yīng)用在電力企業(yè)、船舶制造企業(yè)、供暖企業(yè)、能源制造企業(yè)等。管殼式換熱器的自身作用主要是在石油煉取以及化學(xué)加工裝置中才能得到充分的發(fā)揮。管殼式換熱器具備三項(xiàng)特點(diǎn)，第一項(xiàng)是結(jié)構(gòu)穩(wěn)定；第二項(xiàng)是具備較高的適應(yīng)能力；第三項(xiàng)是耐高溫。因此在高溫、高壓以及大型裝置中得到了廣泛的應(yīng)用。據(jù)調(diào)查顯示，在石油化工企業(yè)中，管殼式換熱器的投資量和企業(yè)總投資量的比例為0.4:1。管殼式換熱器由于具備兩個(gè)優(yōu)點(diǎn)，第一個(gè)是可以循環(huán)使用；第二個(gè)是能回收可應(yīng)用熱能，因此在20世紀(jì)70年代所遭遇的生化危機(jī)中，保證多個(gè)企業(yè)躲過了難關(guān)。隨著時(shí)代的推移，管殼式換熱器也隨之不斷創(chuàng)新和完善，管殼式換熱器的強(qiáng)傳熱技術(shù)在國(guó)際上已經(jīng)獲得了一定的效果。

1　換熱器傳熱強(qiáng)化的作用

管殼式換熱器的工作原理就是在一定時(shí)間內(nèi)將熱量進(jìn)行傳遞。管殼式換熱器的工作作用主要在于在一些制定的設(shè)備的幫助下，將消耗的熱能源進(jìn)行傳遞，實(shí)現(xiàn)設(shè)備容量逐漸增多，進(jìn)而達(dá)到提升工作效率的目的。與此同時(shí)，在設(shè)備容積不發(fā)生變化的狀況下，讓管殼式換熱器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)滿面變得緊湊，使其可用空間逐漸減少，進(jìn)而達(dá)到節(jié)約經(jīng)濟(jì)成本的目的。

2　管程強(qiáng)化傳熱分析

2.1螺旋槽管

螺旋槽管是一種專用的抓管設(shè)備，它的表面呈現(xiàn)螺旋狀的凹槽，而管內(nèi)結(jié)構(gòu)是呈現(xiàn)螺旋狀的凸槽，進(jìn)而達(dá)到緊密配合的作用，連續(xù)螺旋折流板及換熱管見圖1。若螺旋槽管中的介質(zhì)呈現(xiàn)流動(dòng)的情況，在螺旋槽管進(jìn)行運(yùn)作的過程中螺旋線形狀槽紋就會(huì)遭受一定的影響，螺旋槽管的螺旋線形狀槽紋和螺旋槽管的內(nèi)壁無法做到密切配合，進(jìn)而使得螺旋槽管外壁受到磨損，厚度逐漸變薄，保證交換的熱量卻逐漸增多。但是，在進(jìn)行螺旋槽管運(yùn)作的過程中，由于介質(zhì)會(huì)出現(xiàn)縱向運(yùn)動(dòng)的情況，使得邊界層出現(xiàn)分層的現(xiàn)象。這樣一來，螺旋槽管中介質(zhì)的運(yùn)行速率逐漸加快，進(jìn)而完成螺旋槽管中介質(zhì)和主體介質(zhì)之間的熱傳遞。

圖1　連續(xù)螺旋折流板及換熱管

2.2波紋管

在進(jìn)行管道加工的過程中，由于管中會(huì)存在連續(xù)波紋曲線的現(xiàn)象，這種管就叫做波紋管。波紋管是強(qiáng)化管的一種，波紋管流程圖見圖2。波紋管顧名思義，就是管道內(nèi)部結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)波紋形狀，而每個(gè)波紋都是有直徑大小不一的圓弧結(jié)構(gòu)組成。波紋管的工作原理主要是由于管中介質(zhì)的流動(dòng)情況發(fā)生著改變，促使湍流程度不斷增加，進(jìn)而到達(dá)傳遞熱量的目的。通過不斷的實(shí)驗(yàn)表示，如果管中的介質(zhì)是水時(shí)，波紋管傳遞熱量的效果將上升到光管的2.5倍。

圖2　波紋管

2.3內(nèi)插物管

內(nèi)插物管的工作原理主要是將管中的介質(zhì)呈現(xiàn)漩渦運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，這樣做的主要目的就是提升管中介質(zhì)流體的混合度，達(dá)到介質(zhì)運(yùn)行速率與溫度分布情況進(jìn)行緊密結(jié)合，進(jìn)而提升熱傳遞的效率。為了達(dá)到更好的傳熱效果，就要保證內(nèi)插物管中的介質(zhì)處于高黏度流體和低雷諾數(shù)中。但是，根據(jù)實(shí)際情況來看，插入物選用的類型比較繁多，常常應(yīng)用的插入物有三種，第一種是螺旋片；第二種是螺旋線；第三種是扭帶。經(jīng)過反復(fù)的實(shí)驗(yàn)證明，當(dāng)內(nèi)插物管中呈現(xiàn)層流換熱的情況時(shí)，這是插入物選用扭帶，內(nèi)插物管傳遞熱量的效果將上升到光管的2.2倍。

2.4縮放管

所謂的縮放管主要是漸縮管與漸擴(kuò)管進(jìn)行周期交換進(jìn)而形成的波形管道，縮放管見圖3。縮放管的工作原理主要是通過對(duì)管中的截面進(jìn)行收縮，使得管中介質(zhì)的流向發(fā)生變化，進(jìn)而使得流體的速率以及方向也隨之發(fā)生變化。當(dāng)管中的流體流速逐漸減小時(shí)，管中的靜壓就會(huì)隨之增大；當(dāng)管中的流體流速逐漸增大時(shí)，管中的靜壓就會(huì)隨之減小。由于縮放管中的流體總是會(huì)發(fā)生變化，使得管壁厚度逐漸變薄，進(jìn)而達(dá)到熱傳遞的目的。

圖3　縮放管

3　殼程強(qiáng)化傳熱分析

3.1折流板支撐結(jié)構(gòu)

對(duì)于傳統(tǒng)的折流板支撐結(jié)構(gòu)來說，雖然其也具備一定的優(yōu)勢(shì)，但是隨著時(shí)間的推移，人們開始越來越注重環(huán)保問題，而由于傳統(tǒng)的折流板支撐結(jié)構(gòu)存在四項(xiàng)劣勢(shì)，第一項(xiàng)是壓降大；第二項(xiàng)是具備傳熱誤區(qū)，見圖4；第三項(xiàng)是容易產(chǎn)生污垢；第四項(xiàng)是具有較強(qiáng)的震動(dòng)感。這是具備這些劣勢(shì)，使得傳統(tǒng)的折流板支撐結(jié)構(gòu)無法滿足現(xiàn)在人們的需求。因此，為了實(shí)現(xiàn)節(jié)能環(huán)保的目的，研發(fā)出一些具備高效節(jié)能的管殼式換熱器是人們最為關(guān)注的話題。

圖4　傳統(tǒng)單弓形折流板換熱器殼程傳熱死區(qū)

3.2折流桿支撐結(jié)構(gòu)

1970年，美國(guó)Phillips石油公司就已經(jīng)研究出一種新型的折流桿換熱器，并將其應(yīng)用到石油的生產(chǎn)工作中，其殼程結(jié)構(gòu)圖見圖5。折流桿換熱器由于具備管束支撐結(jié)構(gòu)，這樣不但可以有效的減少管中的流體運(yùn)行的震動(dòng)幅度，避免因?yàn)閯×业恼饎?dòng)而給管體造成一定的破壞，同時(shí)還能緩解流體對(duì)管體的擾動(dòng)情況，進(jìn)而達(dá)到熱傳遞的作用。

這種換熱器的管束支撐結(jié)構(gòu)不僅能夠降低殼程流體對(duì)換熱管束橫向沖刷所導(dǎo)致的振動(dòng)，防止因振動(dòng)所引發(fā)的損壞，還能對(duì)殼程流體進(jìn)行擾動(dòng)，以達(dá)到強(qiáng)化傳熱的目的。

圖5　折流桿換熱器殼程結(jié)構(gòu)

4　管殼式換熱器傳熱強(qiáng)化的發(fā)展趨勢(shì)

根據(jù)目前的情況來看，管殼式換熱器傳熱強(qiáng)化的發(fā)展趨勢(shì)已經(jīng)朝著支撐式的形式發(fā)展。隨著折流桿式支撐管殼式換熱器的出現(xiàn)，最終構(gòu)成現(xiàn)代化的自支撐模式。在管殼式換熱器傳熱強(qiáng)化發(fā)展的過程里，管殼式換熱器的傳熱效果也逐漸增加，而管殼式換熱器的壓降也逐漸減少。由此我們可以清楚地看出，管殼式換熱器傳熱強(qiáng)化的發(fā)展趨勢(shì)一直呈現(xiàn)上升的狀態(tài)。首先，隨著信息化時(shí)代的來臨，換熱器傳熱強(qiáng)化的過程中也將信息化技術(shù)融入到研發(fā)中，這樣不僅可以提升傳熱的效率，同時(shí)也能保證傳熱的效果。其次，將先進(jìn)的技術(shù)應(yīng)用到儀器中來，例如紅外攝像儀等，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度進(jìn)行合理的把控。最后，研發(fā)出具備高效率、高環(huán)保的換熱器，進(jìn)而推動(dòng)管殼式換熱器更好的發(fā)展。

5　結(jié)束語

通過本文的闡述，使得我們對(duì)管殼式換熱器有了更深入的認(rèn)識(shí)。隨著管殼式換熱器的廣泛應(yīng)用，它不僅可以保證企業(yè)提升經(jīng)濟(jì)效益，同時(shí)也能提高工作效率。在進(jìn)行管殼式換熱器傳熱強(qiáng)化的過程中，要秉持的高效率，高環(huán)保的強(qiáng)化理念。這樣不僅可以達(dá)到環(huán)保的作用，同時(shí)也能有效的節(jié)省企業(yè)的資金成本。希望通過本文的闡述，可以給管殼式換熱器的今后發(fā)展提供一定的幫助。

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TQ051.5

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1671-0711（2016）09（上）-0073-02