管壳式换热器强化传热技术概述

李兆南（北京华福工程有限公司天津分公司，天津　300222）

管壳式换热器强化传热技术概述

李兆南（北京华福工程有限公司天津分公司，天津300222）

随着社会经济不断发展，人们对能源应用的多样性也提出了更多的要求，客观上提高了换热器的设计水平需求，包括强化换热过程、提高换热效率、节约资源投入、提高经济效益等。其中管壳式换热器具有结构简单、操作可靠等优势，目前在我国化工、石油、冶金、航空等多个领域广泛应用。本文以下结合近年来管壳式换热器技术的发展进行研究，提出强化传热技术的必要性，从管程、壳程、管束等方面分析强化传热的特征，并提出管壳式换热器发展趋势。

管壳式换热器；技术概述；强化传热；发展趋势

管壳式换热器（shell and tube heat exchanger）又被称之为“列管式换热器”，是一种通过封闭在壳体中管束壁面进行传热的间壁式换热器，自出现以来广泛第应用在工业生产体系中。虽然管壳式换热器在结构紧凑型、换热效率、金属材料消耗方面与新型技术制造的换热器相比存在劣势，但这并不影响管壳式换热器在换热设备体系中的主体地位，其适应性强、可靠度高、结构坚固、选材范围大等优势，很好的弥补了技术层面的不足。同时，管壳式换热器已经具有了相当成熟的理论体系和应用方案，俨然成为一项重要的传热学研究重点领域。

1　管壳式换热器强化传热技术的必要性

近年来，伴随着我国工业体系的不断完善和人民生活水平的提高，换热设备的应用领域也在增加，相应的，如何解决能源与经济发展的矛盾，就成了一个重要问题。“十二五”期间，我国明确提出了节能减排的可持续性经济发展战略，除了积极开发新型绿色能源应用之外，更重要的是减少以煤炭为基础的能源利用形势，加快社会产业结构调整，逐步淘汰落后产能，促使传统产业的升级改造；而换热器技术强化改进是一个重要的发展方向。

就目前来说，我国的工业行业中的换热器设备以管壳式换热器为主要形式，约占换热器设备总量比例的70%，而这其中弓形折流板换热器的数量达到70%以上，在传统产业节能领域发挥着巨大的作用。但随着全社会对节能减排、低碳经济要求的提高，传统管壳式换热器的弊端也逐渐凸显，这其中传热效率低就是一个严重的技术短板；理论上说，换热率越高，对能源的节约量也就越大，对能源节约的效果也就越明显。因此，针对管壳式换热器强化传热技术的研究十分必要。

2　强化传热技术理论及应用

传热理论是热转换设备中主要的研究内容，结合管壳式换热器来说，由于管内和管外流体温度的差异，在壳体、管束的温度也不同。当温度差异过大的时候，换热器内部就会产生较大的热应力。但由于热工设备的工况无法确定，需要增加管道内外的传热系数，并促使其获得更高的传热效率，结合管壳式换热器构造来说，强化传热技术理论也并不是针对某一方面展开的，它包括了管程、壳程和管束三个部分。

2.1管程强化传热

针对管程强化传热技术的研究主要集中在传热管方面，目前也是最具有前景的研究课题。总体来说，管程强化传热技术的研究可以划分为两个方面，分别是改变换热管设计和管内插物。其中，改变换热管设计的方式，如改变换热管形状，或加大管程流体的湍流程度、传热面积，具体的设计对象包括波纹管、伸缩管、翅片管等。而另一种类型包括管内插物的设计，及通过管内绕丝花环、纽带等，实现管程的湍流程度；相比较来说，在管内插物的形式执行简单、效果较好、投资较少，是目前主要应用的管程强化传热形式。

2.2壳程强化传热

在管壳式传热器体系中，壳程介质以液体形式存在，传统的弓形折流板换热器所占比例较大，是强化传热研究的重点。由于弓形折流板换热器内部的流体阻力和振动较为明显，因此导致能量损失较多。针对这一情况来说，在一定程度上提高弓形折流板换热器强化传热，对节约能源具有重要的作用。

壳程强化传热技术应用的方式包括花隔板、螺旋折流板、折流杆等形式，就目前来说，螺旋折流板技术应用较为广泛，且取得了较好的成果。这一技术出现在上世纪80年代，国内介入较早，在构造上利用四分之一椭圆扇形平板进行首尾相连，从而实现一个直角边垂直于轴线、圆心位于轴线上的突出结构。在总体构造上呈现出螺旋形，促使液体进入之后也以螺旋形方式流动，可以很好的减少壳程压力损失。

2.3管束强化传热

严格意义上说，管束强化传热属于整体传热技术范畴，具有加工简单、便于实现的优势，其中应用较多的两种技术类型包括交错扁管和扭曲扁管。

其一，交错扁管。交错扁管是近年来出现的一种新型技术，在市场上的覆盖率并不高，在应用层面来说，与普通的管壳式换热器结构保持一致，但由于内部没有折流板，不会出现介质流动死区，因此大大节约了生产成本。此外，由于轴线方向上的惯性会促使管程流体和壳程流体质检的波浪形变化，可以获得较强的搅动力，由此强化了传热效果。

其二，扭曲扁管。扭曲扁管类型的换热器出现较早，上世纪80年代进入我国之后，成为提高强化传热的主要技术形式。其优势主要的体积小、节约材料，同时在管程和壳程内形成的介质螺旋流形式，可以防止污垢堆积。

［1］刘雪梅，崔永志，陈军.管壳式换热器的强化传热技术及展望［J］.纺织机械，2012，01：16～20.

［2］齐洪洋，高磊，张莹莹，周辰琳.管壳式换热器强化传热技术概述［J］.压力容器，2012，07：73～78.

［3］王丰华.管壳式换热器强化传热技术进展［J］.硫酸工业，2009，02：13～17.

［4］张轮亭，邱丽灿，王臣.管壳式换热器强化传热进展［J］.当代化工，2014，11：2322～2324+2327.

［5］赵晓曦，邓先和，陈颖，王杨君.管壳式换热器壳程传热强化研究［J］.现代化工，2001，07：14～17.