管殼式換熱器改進的思路措施及發(fā)展方向

宋立法，董林峰

（山東魯潤熱能科技有限公司，山東濟南 250305）

1 管殼式換熱器概述

管殼式換熱器又稱列管式換熱器，是指將管束封閉在殼體中，以管束壁面作為傳熱面的間壁式換熱器[1]。管殼式換熱器以金屬材料制造，結構簡單，操作可靠，其工作原理是一種流體在管內(nèi)流動、另一種在殼側流動，經(jīng)換熱管壁實現(xiàn)熱量交換[2]。它由殼體、管束、管板、擋板、管箱等組成，其中，殼體是圓筒形，管束在其內(nèi)，管束固定在管板上；經(jīng)管內(nèi)流動的管程流體和管外流體的殼程流體進行流體的相互換熱；擋板安裝在殼體內(nèi)，因其能提高殼程流體速度，增大流體湍流度，用于提高管外流體傳熱分系數(shù)；管板上的換熱管一般排列成三角形或正方形，前者較緊湊，管外流體湍流高，傳熱分系數(shù)大，后者便于清洗、對易結垢流體較適用。

雖然在結構緊湊性、傳熱強度、單位金屬消耗量方面，管殼式換熱器與板式、板翅式換熱器無法比擬，但具有適應性強、生產(chǎn)成本低、處理量大、適應高壓高溫的特點，而且設計、制造、加工方法均較完善，操作壓力范圍為真空到41.5 MPa，操作溫度為-100～1100 ℃，傳熱面積廣，在石油化工領域中應用較廣[3]。

為響應國家節(jié)能減排優(yōu)化政策，應對管殼式換熱器的結構、原理進行分析，并找出其常見故障進行針對性規(guī)避，強化傳熱理論及換熱器技術發(fā)展。

2 改進思路及措施

2.1 易出現(xiàn)的故障及改進

（1）管束振動。管束振動會引起管板和換熱管間氣孔及缺陷擴大，嚴重會擊穿或疲勞開裂。換熱管固有的頻率影響著振動，而頻率受管束結構、尺寸影響。應以預防振動為改進思路，主要措施有：減小跨距；使用大管徑增加管剛性；加大管間距，減少碰撞；降低進出口流速，加支撐；增加管材厚度以提高剛性；增加折流板厚度，減少管壁和管孔間隙抑制振動等。

（2）溫差應力。管殼程流通間溫差較大，多管程換熱器間也如此。溫差使管板兩側與換熱管間產(chǎn)生溫差應力，達到一定數(shù)值后會使金屬發(fā)生塑性變形，進而導致泄漏。應以減小溫差為改進思路，主要措施有：提高管板抗應力，增加管板厚度提高管板抗彎能力，考慮采用圓弧形彈性管板，以便于承壓和吸收熱膨脹溫差；降低殼體軸向剛度，于殼體上靠近管板處設膨脹節(jié)，以滿足變形協(xié)調(diào)量，降低管板和管子的拉脫力。

2.2 利用強化傳熱節(jié)能技術

基礎傳熱理論為選擇管兩側內(nèi)傳熱系數(shù)偏小的進行增大，以有效改進整體傳熱系數(shù)。因無法準確確認工況下是增大管內(nèi)還是管外傳熱系數(shù)，所以強化傳熱節(jié)能技術應從管內(nèi)、管外、管束整體強化傳熱類型入手，對每種類型進行細化，以合理選擇搭配適應不同的工作環(huán)境，才能發(fā)揮更好的強化節(jié)能效果。

2.2.1 管程強化傳熱

強化傳熱管是傳熱研究中的重點，管程強化傳熱技術可以把分為兩種，即改變換熱管形狀和管內(nèi)插物[4]。改變換熱管形狀是指改變外觀形狀，加大管程流體的傳熱面積和湍流速度，有伸縮管、螺旋槽管、波紋管、翅片管等形式，后來經(jīng)改進、優(yōu)化還出現(xiàn)了螺旋扁管、新型三維內(nèi)肋管的類型。螺紋管換熱器自1964 年開始應用，20 世紀80 年代大量應用在南京煉油廠的減壓裝置[5]。

（1）螺旋槽管有單頭和多頭兩種形式，是經(jīng)光滑管軋制而成，對管內(nèi)液體沸騰、氣液體傳熱、管外蒸汽冷凝進行了強化。管上的螺旋溝槽能讓管內(nèi)壁處流體產(chǎn)生旋轉流及二次流，可有效減薄邊界層，使壁面熱阻降低，強化傳熱。隨著計算機模擬技術的開展，螺旋槽管強化傳熱得到了大量模擬研究數(shù)據(jù)，在湍流工況模擬情況下，比光管、螺旋槽管的努賽爾數(shù)（Nusselt number）和阻力系數(shù)有明顯增大，分別達到光管的1.6～2.1 倍及1.5～4.5倍，流速增大換熱器性能也明顯增大。對螺旋槽管的污垢模擬研究顯示，熱阻是光管的52%～88%、努賽爾數(shù)是光管的1.8 倍。在流體速度增高0.5 m/s 時，污垢熱阻系數(shù)降低了10%～20%，對避免污垢堆積有明顯作用。

（2）翅片管是由光管經(jīng)焊接或脹接連接的翅片，不僅加大了傳熱面積，還加大了擾動，有利于提高雷諾數(shù)、減少邊界層厚度，對殼程熱阻大的情況作用明顯。翅片形狀有矩形、T 形、花瓣形、釘翅形等，其中釘翅可利用翅片支撐、無需折流板，因此提出了異形釘翅管。有試驗顯示，在光管外錯列設置多個釘翅的異形釘翅管傳熱系數(shù)是光管的100 倍、努賽爾數(shù)是光管的65～105倍，其傳熱效果較佳。

（3）螺旋扁管是依靠自身的管束結構以自支撐功能的換熱管。橫截面為橢圓，管道為螺旋狀，等距螺距，經(jīng)管道間外緣螺旋線點的接觸以自支撐。管內(nèi)外均為螺旋通道，流體沿通道產(chǎn)生周期性縱向旋轉二次擾動，以充分混合流體，能減少污物及邊界層沖刷減薄，進而提升熱能傳遞速率。因殼程折流構件減少支撐，介質(zhì)流動為螺旋，減小了流動阻力。使流動死區(qū)和管束振動減少，也節(jié)減了熱換器占用空間。有研究顯示，工業(yè)上螺旋扁管傳熱效率為光管的1.7 倍，可節(jié)省熱面積63%。它比其他熱換管的綜合性能更強且自潔性能好，可用于印染廠熱污水或鍋爐電廠爐渣水等易結垢場合。

（4）新型三維內(nèi)肋管的傳熱性能較好，是在光管基礎上經(jīng)多種加工工序而形成的有規(guī)律性的內(nèi)外表面鱗片狀或針刺狀。可加強流體擾動、破壞熱邊界層形成，進而擴展換熱面積。有研究顯示，新型三維內(nèi)肋管的換熱效率是光管的2 倍，并在其基礎上內(nèi)插樹枝狀調(diào)控結構，能提高綜合傳熱性能15.7%～86.2%。與其他換熱原件搭配還能進一步提升換熱效果。但目前因新型三維內(nèi)肋管的結構設計較復雜，還需對其進行進一步研究。

管內(nèi)插物是實現(xiàn)節(jié)能換熱技術的常用方法，具有裝拆方便、易于除垢、維護成本低的特點。國內(nèi)外經(jīng)過研究已開發(fā)出多種內(nèi)插件，包括紐帶、螺旋片、螺旋彈簧、縱向渦輪發(fā)生器、多孔介質(zhì)。不同的結構類型的內(nèi)插件換熱機理也有所不同，按其總的強化傳熱機理可分為形成二次流、產(chǎn)生渦輪、分離流體、抑制邊界層發(fā)展、中心流和管壁流體置換。經(jīng)過傳熱機理的改變提高傳熱系數(shù)和性能，進而達到高效節(jié)能目的。當前對一些新型內(nèi)插件的研究在不斷繼續(xù)，青島大學的學者對“潔能芯”（一種管殼式換熱器強化傳熱與自清潔技術）在火電廠、核電廠的應用實踐進行研究，結果顯示，“潔能芯”的節(jié)能效果能提高20%，其具有較強的自清潔能力和傳熱多種功能。

從換熱器不斷改進和發(fā)展的思路看，研制高效、新型的管內(nèi)強化熱元件需加強對傳熱元件理論及技術的分析，在遵循強化傳熱的原理基礎上，應用協(xié)同原理，經(jīng)計算機仿真模擬結合正交化，以獲得最佳的元件結構參數(shù)。另外，應加大分析不同流動狀態(tài)下、不同場下的傳熱元件性能，以獲得各種流場、溫度場、壓強場的變化關系，進而設計出更加節(jié)能、高效的內(nèi)插件。

2.2.2 殼程強化傳熱

當殼程介質(zhì)為液體時，常規(guī)的弓形折流板換熱器不僅流動阻力較大，振動也較大，能量會受到損失。所以，改進的方向及重點應為殼程傳熱強化。因此，誕生了異形折流板，如螺旋折流板、螺旋葉片、整圓折流板、花隔板等，其中螺旋折流板的改善效果最明顯[6]。它是20 世紀80 年代時由美國人于提出，1998 年我國第一臺單殼程螺旋折流板應用到撫順石油二廠，由多塊橢圓扇形平板首尾連接，平面內(nèi)角25°～40°，形成螺旋面狀，使殼程流體呈現(xiàn)出螺旋流動。與弓形折流板換熱器相比，殼程壓力損失較小、傳熱系數(shù)高。有研究通過PIV 測速螺旋折流板換熱器，結果顯示，殼程流體沖刷換熱管和折流板的角度為斜向，管束振動有所降低。管間流體順著軸線波動速度能使流體擾動增加，降低邊界層厚度，有利于傳熱系數(shù)增大。但螺旋折流板結構無法實現(xiàn)無縫連接，部分流體在縫隙處平行軸線流動，不利于螺旋流動及傳熱。學者對此進行了進一步研究，通過對連續(xù)折流板換熱器數(shù)值模擬，獲得了連續(xù)螺旋折流板螺旋節(jié)距、傳熱效果變化規(guī)律關系、螺紋節(jié)距間的計算關系。另外，有學者研究了高溫、高壓下單殼程螺旋折流板結構受傾角限制，提出了適用范圍更廣的雙殼程螺旋折流板。

2.2.3 整體強化傳熱

整體強化傳熱可通過改變管束實現(xiàn)，加工簡單、常用于更新設備，強化效果好，主要有扭曲扁管換熱器和交錯扁管換熱器。扭曲扁管換熱器把圓管軋制成橢圓形的橫截面，外緣為螺旋線。管束中不設置折流板，換熱管間由外緣線進行點支撐。管束由扎箍固定，形成緊密螺旋流道。因管程和殼程均為螺旋流，能旋轉形成二次流，不僅能提高流體湍流程度，還能預防污垢堆積，減薄邊界層厚度。交錯扁管換熱器經(jīng)圓管壓輥滾壓，間隔一定節(jié)距制成90°扁圓形截面，組成管束，截面長軸相互支撐為殼程擾流元件。這種換熱器也不設置折流板，流動死區(qū)和成本明顯減少。在軸線管型變化下殼程流體產(chǎn)生復雜流動，特別是變化處湍流交錯，攪動性較強，有利于傳熱強化。殼程流體沖刷管壁起到清潔作用，能有效減少污垢堆積。換熱管間有點接觸，殼程流體流動為縱向，同管內(nèi)的流體相互產(chǎn)生逆流，既提高了換熱管效率，還能克服振動、強化傳熱。

3 改進發(fā)展方向

當前國內(nèi)外已對換熱器領域進行了大量研究，重點多聚集強化管程及殼程的技術方面。為進一步強化換熱器的性能，實現(xiàn)節(jié)能環(huán)保效應，應加大對其細化分析，從管程節(jié)能技術、結垢、流動阻力上進行深入研究。

（1）改變流體狀態(tài)，增加流速。設計中，可增加管程、殼程分程數(shù)以促進流速、流程長度、擾度。選擇管程時，在確保壓降和避免腐蝕基礎上增加流速。殼程加設擋板能提高流速，讓流體流經(jīng)所有管面。改變流體沖刷角度以增強管外傳熱系數(shù)，流速增大可改變流體狀態(tài)、提高湍流程度、增加傳熱性能，但應注意權衡流動阻力，選擇適宜流速。

（2）改變換熱面積?？梢愿鶕?jù)換熱介質(zhì)性質(zhì)和工藝要求等，選用異形管、加肋片管、翅片管等。

（3）定期清洗，減少污垢熱阻。經(jīng)過一段時間使用后，換熱器管壁會堆積污垢、不利于傳熱，可進行機械、化學清洗或酸洗、堿洗，減少污垢熱阻。

4 總結

綜上所述，管殼式換熱器運行涉及管內(nèi)、管外、管程等，可以根據(jù)換熱器的發(fā)展歷程、結構、強化傳熱機理，在節(jié)能技術方面進行適宜的改進設計，以改變流體流動、增加流速、改善換熱面，進而實現(xiàn)管內(nèi)、管外對流傳熱系數(shù)的提高，強化傳熱效率。