纵流式换热器结构优化研究进展

王丽丽 马贵阳

摘 要：介绍了世界范围内纵流式换热器的研究现状。从管、壳程两方面阐述了换热器结构改进及强化传热机理。列举了换热器壳程中用于支撑管束的整圆形板支撑、花格板支撑、折流杆式支撑和螺旋折流片支撑。分析了不同结构优化下纵流式换热器的传热系数、压力损失和抗诱导振动能力等特点。最后对纵流式换热器的发展前景进行了展望。

关 键 词：纵流式换热器；强化传热；结构优化；发展前景

中图分类号：TK172 文献标识码： A 文章编号： 1671-0460（2016）08-1937-04

Abstract： The research status quo of worldwide heat exchangers with longitudinal flow was introduced. Structural improvement and heat transfer enhancement mechanism of the heat exchangers were discussed from two aspects of tube pass and shell pass. Circle orifice plate supports， checkered plate supports， rod baffle supports and helical baffle supports for supporting the tube bundle in shell side were enumerated. The heat transfer coefficient of longitudinal flow heat exchangers after structural optimization was analyzed as well as pressure loss， induced vibration resistance and so on. At last， developing prospect of the longitudinal flow heat exchanger was presented.

Key words： heat exchanger with longitudinal flow； heat transfer enhancement； structure optimization；development prospect

目前，先進的热交换技术已在能源、动力、化工等很多领域得倒广泛应用。很多国内外科研人员热衷于换热器的强化传热、减小压降和提高综合性能的研究，并获得大量的科研成果。强化传热技术是提高换热器效率的主要措施，如强化传热管、管内插入物和新型管束支撑等。传统的管壳式换热器具有选材范围广、制造成本低、结构简单、使用可靠、应用技术成熟等优点。尤其在处理量大、高温高压等工况下，更能突显出管壳式换热器特有的优点。但传统的管壳式换热器一般采用光滑圆管作为传热元件，弓形折流板支撑管束。壳程流体流动时会形成流动和传热死区，从而减小传热系数[1]。横向流动的壳程流体冲刷换热管束，产生较大的压力损失，特别是当雷诺数较大时，换热管束易激发流体的诱导振动，而降低换热管束的使用寿命，因此有必要进行改进。

20世纪70年代的国外学者首次设计出了折流杆换热器。它以折流杆取代传统的折流板来支撑管束，所产生的自由流道使壳程流体做平行与管轴的纵向流动。不但有效地避免了流体诱导振动，而且在不增加泵功率的情况下即可实现强化传热。至此以后，纵流式换热器逐渐受到重视，世界各地的学者在此方面进行了大量研究，并取得了显著的成果。

1 纵流式换热器结构发展

1.1 强化管型纵流式换热器

早期的纵流式换热器采用光滑圆管。为提高管程的传热效率， 近些年来国内外学者先后研制出了横纹（槽）管[2]、螺旋槽管[3]、缩放管[4]、波纹管和螺纹管[5]等高效换热管。虽然结构不同，强化机理却十分相似：将普通圆管进行工业滚轧，使管壁上形成有规律或者无规律分布的凸肋和凹槽结构。当管壁内外流体流经横向凸肋和凹槽时，在管壁处形成漩涡，增强了流体的扰流作用，流体与管壁之间的边界层变薄，导热热阻减小，从而使换热效果增强。

1.2 整圆形板支撑的纵流式换热器

整圆形折流板换热器[6]，实现了壳程内的流体由横向流动转变成纵向流动，折流板上的开孔面积相对较小，当流体流经管孔时，沿管壁会产生贴壁射流作用，射出的流体流速很快，会对周围流体产生卷吸作用而发生混流，并在一定跨距内冲刷管束，减薄液体边界层，既强化了传热，又有除垢的作用。“大管孔”折流板是最早出现的管束支撑形式，如图1（a）所示。折流板设上有比管径大的圆孔，圆心与管轴共线，这样壳程流体就可以通过管外径与大孔径的间隙，使流体成纵向流动，减小了传热死 区，但同时换热管没有相应的支撑，又增大了其诱导振动的机率。如图1（b）所示，“小圆孔”整圆形折流板换热器中，孔板上孔径等于管外径，在孔桥上增加了小圆孔，流体沿小圆孔流经孔板，减少了流体诱导振动的几率，但该结构的流通面积太小，壳程流体流动时，阻力太大，且存在流动死区。异性开孔可以解决上述难题，如图1（c）和（d）所示的矩形孔和梅花孔。此类型的孔板在保证壳程流体流动通道的前提下，还能给换热管提供支撑作用。如图1（e）所示，网状整圆形折流板能使得壳程流体以纵向流过折流板，能够有效避免折流引起的传热死区，还能减小壳程压降。尽管上述整圆形折流板优点很多，但其多孔结构较为复杂，不易加工，生产成本比较高，因此不能大规模的应用到工业生产的各个领域中，尤其是那些收益不是很高的粗放型的产业当中。

1.3 花格板支撑的纵流式换热器

花格板支撑是华中科技大学黄素逸等[7]在整圆形隔板的基础上提出的一种新型的壳程支撑结构。如图2所示，在整圆形隔板的四个象限中的某一象限或二到三个象限内设管孔，用来支撑管束，其余象限则是空的，或者设有大孔，作为流体的流动甬道，每一组花格板以一定的旋转角度交错布置。虽然花格板[8]支撑牺牲了一定的扰流强度，但同时减小了折流板背后的流动死区，而且壳程压力损失较小，明显的节省了泵功。

辽宁石油化工大学郭土[9]研究了一种新型支撑结构的换热器——六分花格板换热器，如图3所示，通过建立物理模型，采用数值模拟的方法对其流动和传热性能进行了研究，分析结果表明，六分花格板在工艺制作简单方便的基础上，有效的降低管壳式换热器壳程压降，保证对换热管的支撑及对壳程流体的扰流作用，强化传热效果。

1.4 折流杆式支撑的纵流式换热器

为了解决换热器壳程内部管束振动的问题，20世纪70年代美国菲利普公司首次开发完成了折流杆支撑换热器的研究，又称为折流栅，由相互平行的若干折流杆焊接在一个折流圈上而成。四个折流栅为一组，每组包括两个横栅和两个纵栅，纵横交错，构成鼠笼式支撑结构。郑州大学刘敏珊等[10]也设计出了节能型折流杆结构，并在很多领域得到应用。实践结果表明[11]，当壳程流体流速达到一定值时，流体流过折流杆，产生卡曼涡街和文丘里效应，增强了扰流作用；圈、杆产生的漩涡和湍流使管程表面的液模变薄，减小了传热热阻；传热面积得倒充分利用，基本上消除了传热死区等。但杆式支撑在雷诺数较小或流速较低时综合性能并不明显，并且在剧烈震动的情况下，流体的诱导振动致使换热管束失效的可能性较高。

胡明辅、杨波涛等[12]研究了一种新型结构——扁杆抗振栅。这种抗震结构将圆钢型的折流杆换用扁钢支撑条，扁钢形支撑条牢牢夹住换热管束，从而使管束和折流板间的接触方式由最初的“点接触”转变成了“线接触”，因此，抗振栅的抗振性能更优。

折流杆换热器的布管方式通常选用正方形，相比于三角形布管方式，前者單位面积内的换热面积较小。为了节约投资和不影响生产工艺，华东理工大学严良文、王志文等[13]开发出了波形折流杆换热器，该结构在传统的折流杆支撑的基础上，用波形杆代替直杆，克服了折流杆支撑中正方形布管松散的缺陷，使结构更加紧凑。传热性能更优于折流直杆和折流扁杆换热器，在工业生产过程中，也取得了良好的经济效益。

郑州大学古新[14]设计出一种新型壳程支撑结构——帘式折流片换热器，即斜向流管壳式换热器。该类型的折流栅由若干个平行放置，形状较为特殊，且与管束轴线成一定夹角，两端焊接在折流圈上的折流片组成。折流栅在壳程内等间距布置，有着支撑管束的作用。壳程流体的斜向流动，既减少了流体横向流动时速度变化剧烈而导致的有效能量的损失，又因为横向流对管子的强烈冲刷使得边界层变薄，进而增大了传热效率。总体上的纵流趋势，兼备了纵流式折流板换热器的诸多优点，如抗诱导能力强，壳程流动阻力少，不易结垢，综合性能好等优点。郑州大学刘兵在此基础上进行了深入研究，得出了在三角形布管方式下，折流栅按照对称和同向两种方式装配、折流栅间距和折流片倾角大小，对于压降、传热系数和综合性能的影响。

1.5 螺旋折流片支撑的纵流式换热器

螺旋折流板换热器是将传统的弓形折流板换成螺旋状或者近似螺旋状的折流板，每块折流板也换热器壳体横截面有一个倾斜角，使壳程流体沿螺旋通道自壳程进口向出口呈螺旋状推进，通过调整不同角度来调整流通截面，进而可以提高流体流速。流体在壳体内呈螺旋状前进，有效减小了流动死区，又可防止结垢。

螺旋折流板可分为连续和非连续两种类型。连续型螺旋折流板采用连续螺旋状支持板支撑换热管，使壳程流体沿甬道斜向前进，同时兼备了纵向流和横向流的优点[15]。但由于螺旋曲面制造工艺复杂、造价较高，目前用于实际生产的大多都是非连续的螺旋折流板[16]，如图4 所示。这种折流板采用多个扇形折流板在换热器壳程按照一定得角度搭接而成，制造工艺简单、造价低，从图中可以看出这种形式的螺旋流由横向和纵向两种流动混合而成，这是因为折流板搭接的中间会有一定得空隙。从效果来看，横向流动能够破坏换热管外表面的边界层，纵向流动能够提高换热管的传热推动温差，这样就能达到强化传热的目的。实验证明[17]，非连续型螺旋折流板换热器比弓形折流板换热器的对流换热系数和总传热系数均有提高。

2 纵流式换热器发展前景

纵流式换热器自出现以来就体现出了良好的流体力学特性和抗振性能，但其自身仍存在很多不足，如在壳程压降减小的同时会牺牲部分的传热效率。因此，设计出压降损失一定的同时换热效率能相应增大的管壳程结构是今后研究的重要方向。

（1）纵流式换热器壳程内的管束支撑物空隙较大，对自由甬道内的流体流速的扰流作用小，只有在大雷诺数的工况下才能显现出优越的换热效果，因此开发新型支撑结构的纵流式换热器，使其在低雷诺数下仍具有较高换热性能，同时其结构要不断简单化，成本低廉化，以期达到更好的经济效果。

（2）斜流式换热器中，流体在壳程中流动时被分散为多股受迫倾斜流动，消除了部分流动死区，主流区的纵向流动和局部的横向流动相结合，有效克服了折流板换热器壳程流体流动压降过大和折流杆换热器低雷诺数工况下传热性能不佳的缺点。对新型斜流式换热器的支撑结构进行优化设计，有着重大的理论意义及工业应用价值。

（3）上述各种单项强化传热技术都存在一定的弊端，所以进一步提高纵流式换热器的综合性能，复合强化传热技术也将成为日后强化结构的研究方向。对于不同的强化管和不同的壳程支撑结构的组合，换热效果会有差异，适用的工艺条件也有待于进一步试验确定，其压降和传热的综合性能也有待实验测定。

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