管壳式换热器强化传热技术的进展

何爱玲

管壳式换热器强化传热技术的进展

摘要：换热器是一种实现物料之间热量传递的节能设备, 我国石化行业的换热设备以管壳式换热器为主。介绍了管壳式换热器强化传热技术的进展和动态，通过对传热管的结构和形状进行改造，再根据传热机理，提高传热系数，进一步的增强传热性能。介绍了多种主动式和被动式传热强化技术以及其机理，使得更高效的管式换热器使用在各个行业，达到节能减排的作用。

关键字：管壳式换热器；强化传热；技术动态

随着现在工业的迅速发展，以能源为中心的环境、生态问题日益加剧，节能已经成为一切工作的重中之重，世界各国都在努力寻求新能源和节能新途径。换热器是在化工、石油、石油化工、冶金、轻工、食品等行业中普遍应用的工艺设备，尤其是管壳式换热器，管壳式换热器强化传热对提高能源利用效率、降低能耗有着重要义。增大传热系数、妥善布置传热面、增大平均温度差是强化传热的三种途径,其中提高传热系数是当今强化传热的重点。强化传热技术通常分为主动技术和被动技术两大类。主动技术需要消耗外部能源，如采用机械方法、表面振动、流体振动、电磁场、隐射、虹吸等技术；被动技术无需消耗外部能源，是换热器强化传热主要采用的方法，主要有表面延伸、表面处理、粗糙表面、产生涡旋流、改变表面张力及流体添加剂等技术。目前主动技术还处于试验阶段，被动技术已经得到广泛的应用，因此，我们对被动式强化传热技术进行介绍。

⒈传热管的表面处理

⑴螺旋槽管

    螺旋槽纹管是表面具有螺旋形凹槽的一种强化传热管, 传热管内外表面的凸起或槽纹,干扰了管内流体的流动, 破坏了层流边界层。螺旋槽管的强化传热机理是产生的边界层分离流使传热边界破坏。研究表明, 螺旋槽管换热器比光管的传热系数提高了2 ~4倍, 在阻力损失和换热面积相同时, 换热量可增加30%~40%。螺旋槽管对液一液、液一气、气一气介质均有强化传热作用,总传热系数可以得到很大的提高,可用于各种形式的换热器、废热锅炉等。旋流管是螺旋槽纹管的衍生品, 也叫异型螺旋槽管。这种传热管的传热面积和传热系数大大增加, 传热系数比光管提高315倍, 并且,在相同传热量下旋流管的换热系数比螺旋槽管高3% ~8%, 而压力损失低5% ~10%。

⑵ 波纹管

   波纹管是表面有波纹状突起的强化传热管,由于波纹管的壁很薄, 传热管可以自由伸缩。流体在管内流动时,截面不断的变化, 扰动流体,破坏层流边界层, 以强化传热。波纹管的强化传热机理是：用改变断面的方式使弧形段内壁处发生两次反向扰动,从而破坏边界层热阻层,扩大低热阻区域,使得传热系数有明显提高。波纹管的传热效率通常是光管的2 ~4倍, 同时还具有除垢能力强, 温差应力小, 结构紧凑轻巧等特点。

(3) 横纹槽管

    横纹槽管由光管的外表面被滚压成一圈圈有序的环形凹槽而成, 与管子轴线成90b角。影响横纹槽管综合传热性能的主要结构参数为肋节距和肋形,而肋高影响较小, 并且传热综合因子随流动Re数增大而迅速降低。横纹槽管的强化传热机理是：当流体流通过环肋时在管壁形成了轴向涡流,增加了流体边界层的扰动,使边界层分离,从而使传热得到强化。当涡流即将消失时,流体又流经下一个环肋,因此不断地产生轴向涡流,保持了连续稳定的强化作用。由于涡流主要在管内壁附近形成,对流体主体的影响较小,所以不会使流体主体损耗太多的能量。横纹槽管优于螺旋槽管,在参数相当的条件下,其压力降比螺旋槽管小三分之一左右,层流转向湍流的临界雷诺数也低于螺旋槽管。

(4) 螺旋椭圆扁管

螺旋椭圆扁管是把圆形光管压成椭圆形, 然后扭曲而成, 流体在管内处于螺旋流动状态,因而破坏了管壁附近的层流边界层, 提高了传热效率。这种管束结构的特点是: 两个并行排列的相邻管子的椭圆长轴相互接触, 互相支撑, 应用这种管的换热器取消了附加的管束支撑物,节约了材料和成本。研究表明, 螺旋椭圆扁管换热器具有较好的强化传热性能, 管径大小和螺旋导程对传热和阻力性能均有影响。

⑸翅片管

① 菱形翅片管

    菱形翅片管轧制而成,翅片为三维结构,具有较好的冷凝传热效果。蒸汽在菱形翅片管表面冷凝时,冷凝液膜的表面张力随菱形翅片表面曲率半径而变化,致使液膜在翅片根部较厚,在翅片表面较薄,当流体流经菱形翅片表面时,传热边界层在非连续翅片上因受到周期性破坏而减薄,从而可以提高冷凝传热系数。赵晓曦等对螺旋折流板菱形翅片管换热器进行了传热与流阻研究,结果表明,与螺旋折流板光滑管换热器相比,在相同流速下传热系数提高了,而流动阻力系数降低了。

②花瓣形翅片管

   花瓣形翅片管的最大的特点是翅片从翅顶到翅根都被割裂开,翅片侧面呈一定的弧线,并有相对较小的曲率半径。花瓣形翅片管的强化传热的机理包括两方面一是花瓣形翅片增加了换热面积,提高了传热负荷二是间断的翅片反复地激发传热边界层的湍流度,使传热滞流底层减薄或断裂从而起到强化传热效果。

③锯齿形翅片管和T形翅片管

锯齿形翅片管是一种新型传热管, 其翅片外缘有锯齿缺口, 加强了流体的扰动,促进对流换热, 换热面积增大, 增强了换热量, 锯齿管的传热系数是光管的6倍, 是低肋管的115 ~ 2倍。T形翅片管是由德国的Wieland公司于1978年开发的, 管子的外表面具有多条螺旋的T形翅片, 以增加汽化核心, 并显著的增大了传热面积,具有优良的传热性能。尽管这种表面结构具有很好的换热特性, 但是, 这种管的加工工艺十分复杂, 在实际工程应用中并不普遍。

⒉传热管内插件

    管内插入物可以扰动管内的流体, 增强湍流度, 有效地清除污垢,提高传热系数; 形成旋转流和二次流; 插入件在管内扰动流体, 破坏了层流边界层, 加快了流体同传热管的换热。常用的内插件有: 扭带、间隔扭带、错开扭带、螺旋片、螺旋线、静态混合器等。不同内插件增强传热的效果也不同,WangL等通过实验研究比较螺旋线圈和扭带的综合强化性能表明, 管内插物扭带扰动管内整个流场的流动, 而螺旋线圈主要干扰管壁附近的流体, 所以当螺旋角和直径比相同时,螺旋线圈的性能要好于扭带。近几年, 又出现了弹性圆珠内插件。流体流过弹性珠时易在其后面形成卡门涡街, 增加了流体与壁面的剪切力, 同时, 弹性珠不断的敲击管壁,导致刚刚形成长大的污垢层脱落, 提高了传热效率, 污垢热阻大大降低, 有时甚至出现负热阻, 传热性能明显优于光管。

⒊管束支撑

   管束支撑是管壳式换热器的重要原件, 主要起到支撑管束, 减小管束振动和引导壳程流体流向的作用,一种好的管束支撑, 能够强化壳程热交热, 因此开发新型的管束支撑是非常重要的。工程中应用的管束支撑主要有: 弓形折流板、折流栅、螺旋隔板、空心圆环和螺旋折流片等。

⑴弓形折流板

弓形折流板有单弓形、双弓形和多弓形几种类型,弓形的数目决定了换热器壳程流体的股数。由于流体压力降与速度的平方及流经长度或横流经过的管列数成正比,采用相同折流板板间距和缺口的双弓形折流板管壳式换热器压力降为单弓形折流板管壳式换热器的30％~50％，传热系数为后者的60％~80％。另外,弓形折流板的数目不是越多越好,一般折流板板间距不宜小于壳体内径的30％,折流板缺口尺寸在壳体内径15％~45％变化为宜,尺寸过大过小都会使壳程的传热效率降低。带平行流分隔板的管壳式换热器是在传统单弓形折流板管壳式换热器的基础上改良而成,在单弓形折流板管壳式换热器的两折流板间平行地插入块或多块平行流分隔板,可将原通道改为多股平行通道,将原单股流分为多股平行流,这样就可以有效控制板间回流死区的涡流,从而均化板间流场、减小管间流阻。

⑵折流杆支撑结构

  折流杆纵流式换热器是1970年美国菲利浦石油公司首先提出的, 是为了解决传统折流板换热器中管子与折流板的切割破坏和流体诱导振动,这种结构是将管壳式换热器中的折流板改成杆式支承。折流杆式换热器压降很低, 低于弓形隔板的1/4, 传热特性比也高, 传热强化达113 ~214倍。折流杆与换热器的接触面积很小, 传热面积得到充分利用, 消除壳程滞留区, 改变了壳程流场的温度分布。由排布的支撑杆和其它元件形成折流栅代替折流板而使流体在壳程形成一系列折流,这样既可以防振,还可以增加流动介质的湍流度、提高管间传热系数。折流杆式管壳式换热器的压力降很低,不到弓形折流板管壳式换热器的0.25倍,传热系数则为后者的1.3 ~2.4倍。

⑶螺旋折流片

   螺旋片传热管是在光管上均匀布置螺旋片,有左旋片管和右旋片管之分。换热器的换热管布置情况是螺旋片管与光管交错排列,左右两根管是螺旋片管, 螺旋方向分别是左旋和右旋, 上下两根管是光管, 放置在螺旋片上, 不需要附加管束支撑。螺旋片能诱导生成涡旋流体, 形成二次流,增强流体的湍流度,强化流体微团混合, 使壁面附近的流速梯度增大, 从而减薄粘性边界层底层的厚度, 有效地提高传热系数。同时螺旋片形成的通道还增加了流体的流动路径, 提高了流动速度。

⑷管子自支撑结构

   为简化管束支撑、使换热器更加紧凑,近年来开发出一些自支撑管。这类自支撑管依靠管子自身的一部分如刺孔膜片、级旋线或变径部分的点接触来支撑管束,同时又组成壳程的扰流元件,增大了流体自身的揣流度,破坏了管壁上的流体边界层,从而使壳程传热进一步增强。

⒋最新的研究动向

强化传热技术是指能显著改善传热性能的节能新技术,其主要内容是采用强化传热元件,改进换热器结构,提高传热效率,从而使设备投资和运行费用最低,以达到生产的最优化。目前运用于强化传热的最新技术有以下几方面：①通过对强化传热技术的研究，运用场协同原理分析确定管壳式换热器的结构，达到换热能力最大。②建立流体的流动和热传递模型,并进行计算机模拟和仿真,从而对流体的流动区域和热传递的分布进行更详细预测的计算流体力学。③管壳式换热器设计和选型,以辅助设计者对流体流径、壳体及浮头类型、换热器结构尺寸、折流板类型和换热器整体布置等问题进行决策的专家系统。④用于整体装置设计的数据库技术。

参考文献

1 陈学俊. 能源动力工程的发展与展望 [J]. 热力发电,  2003(7)

2 杨世铭, 陶文栓. 传热学[M] .  北京：高等教育出版社,  1988：345

3 林宗虎，汪军，李瑞阳等. 强化换热技术 北京：化学工业出版社,  2007,1

4 李志安, 任克华等. 波纹管换热器设计标准介绍及相关问题探讨  压力容器, 2007, 24（4）

5 陈亚平, 梅娜, 施明恒. 螺旋折流片强化壳侧传热的四管模型数值模拟工程热物理学报, 2007, 28(1)

6 梅娜, 陈亚平. 螺旋折流片强化壳侧传热研究  石油化工设备, 2004, 23 ( 5)

7 吴金星, 董其伍等.  纵流式换热器的结构研究进展化工进展, 2002, 21 ( 5)

8 崔海亭, 彭培英.  强化传热型新技术及其应用  北京: 化学工业出版社, 2006, 1

9 陈姝, 高学农,徐娓等. 管壳式换热器壳侧在强化传热方面的进展  广州化工, 2006, 33( 5)

学院：石油化工学院化工过程机械  姓名：何爱玲   学号：122080706014