换热器强化传热方法及研究进展

曹玉哲 窦连城

摘 要：管壳式换热器的应用领域非常广泛，对其进行 强化传热方面的研究具有显著的经济效益和社会效 益，不仅符合国家对企业节能减排的要求，而且能 够降低企业的生产成本。无论换热器的管程还是壳 程强化传热技术，都会朝着结构简单、传热效率高 的方向发展。

关键词：换热器；强化；传热

《“十二五”节能减排综合性工作方案》明确提出，到2015年，全国万元国内生产总值能耗下降到0.869吨标准煤；“十二五”期间，实现节约能源6.7亿吨标准煤。主要实施的措施是调整优化产业结构，加快淘汰落后产能，推动传统产业改造升级，加快节能减排技术开发和推广应用，重点推广高效换热器等节能减排技术。

我国石化行业的换热设备以管壳式换热器为主，而且传统弓形折流板换热器占到总量的70%～80%。弓形折流板换热器固然有其优点，并在产业节能方面做出了巨大贡献，但在新的节能减排形势下，其缺点（压降大、存在大量流动死区、振动大、传热效率低等）严重限制了自身的生存和发展空间，同时也推进了强化传热理论和换热器的发展。

一、强化传热理论的工程应用

根据强化传热理论，在管的两侧范围内，需要增大传热系数较小的一侧才能有效改进总传热系数。由于无法确定所有工况下，需要增大管内或管外的传热系数以得到最高的总传热系数，因此，强化传热理论在工程中的应用不是单一的模式，而是呈现出3种趋势，即对管内、管外、管束整体的强化传热。无论是那种类型的强化传热结构，都已经细化出许多更新类型，且其适用的工作环境和强化效果各异。

管程强化传热高效强化传热管的研究一直是传热领域最活跃和最有生命力的重要研究课题。管程强化传热技术可归结为两个方面，其一是改变换热管形状以加大管程流体湍流程度或传热面积，如螺纹管、伸缩管、波纹管、翅片管等，其中研究较多、较典型的是螺纹管和翅片管；另一种是管内插物，用来增强管程湍流程度，常见的有管内插纽带、绕丝花环等，其中，内插纽带由于制造简单，传热效果优良，得到了国内外研究人员的广泛认定。

（一）螺纹管换热器

1964年，兰州石油机械研究所的螺纹管轧制成功，国产换热器中开始采用螺纹管；1965年，兰州石油机械研究所研制的螺纹管换热器在兰州炼油厂应用取得成功；20世纪80年代，在南京炼油厂常减压装置中开始大面积推广应用螺纹管换热器，取得了良好效果。过数值模拟研究，李占峰等发现在湍流工况下，随着流速的增加，换热器性能越好。模拟使用的螺旋槽管平均Nu数大约是光管的1.6～2.1倍，阻力系数大约是光管的1.5～4.5倍。通过对该管型污垢的试验研究，曾力丁等发现螺纹管可用于预防或减轻污垢的堆积。试验结果表明，螺纹管的热阻是光管的52%～88%，努塞尔数是光管的1.8倍。当流体流速从0.25m/s增加到0.75m/s，污垢热阻将减小66.7%。

（二）翅片管换热器

翅片管是1971年由美国人首先提出来，后经过日本、前苏联等国进行了大量研究工作，不断完善而成的一种换热元件。翅片管是由光管外接翅片制成，其连接部分可以采用焊接和胀接等方式。该结构既增大了传热面积，又造成了强烈的扰动，起到了提高雷诺数和减小边界层厚度的作用，多用于壳程热阻较大的情况。翅片可按截面形状分为矩形、花瓣形、T形、钉翅等。其中，某些类型的钉翅管甚至可以利用翅片相互支撑，而取消折流板。在此基础上，近几年国内外研究人员相继提出了一种异型钉翅管。异型钉翅管的结构是在光管外交错排列许多钉翅。试验表明，与光管相比，异型钉翅管的传热系数和努塞尔数均有极大提高，分别为100倍和65～105倍；与其他翅片管相比，其传热效果最佳，是较理想的换热管，应用潜力巨大。

（三）管内插扭带换热器

管内插扭带最早是波兰人 A.Klaczak 于 1964 年提出并进行试验研究的一种高 效传热元件，由薄钢板条扭曲而成。通过在管内 插入扭曲带产生涡流，加强了流体近壁面和中心 区域的混合，从而达到强化传热的目的。因其 卓越的稳定性、简单的构造及易于装配等特点，已 经被国内外研究人员广泛试验和讨论。在文献中，研究人员对光管内插扭带进 行试验。试验中使用两种扭带：普通扭带和顺时针、逆时针方向相接的扭带。结果表明，在雷诺数为 3000 ～ 27000 范围 内，后者表现出更高的传热率、摩擦系数及强化傳 热系数。此外，两者的努塞尔数比光管分别大 12.8% ～41.9%27.3%～90.5%。

研究者在纽带外套扰动线圈，增强了管内气体的湍流程度。试 验表明，在雷诺数为 3000 ～ 18000 范围内，和光管 相比，外套线圈的扭曲带换热管的强化传热效果 是单独使用线圈或扭曲带的 2 倍。而且，扭曲带 扭曲程度越高、线圈排布越密，传热效果越好。

二、壳程强化传热

在壳程介质为液体的工况下，传统弓形折流 板换热器的流体流动阻力和振动较大，能量损失 严重，因此，壳程强化传热显得尤为重要。近年 来，人们采用了各种各样的折流支撑结构来改善 壳程流体的强化传热，常用的方式有：异形折流板（花隔板、螺旋折流板、整圆折流板、螺旋叶片、折流杆等）及壳程内插物（扭曲带、空心环）等。一般认为螺旋折流板、壳程扭曲带结构优于 其他结构，而引起较多业内人士的关注。

（一）螺旋折流板换热器

螺旋折流板换热器 是 20 世纪 80 年 代末由美国科研人员提出的，1994 年由美国 ABB 公司首先实现了产业化；国内对其研究和开发始 于 20 世纪 90 年代，1998 年国内第一台单壳程螺 旋折流板换热器首次应用于抚顺石油二厂炼油装 置，取得良好效果。该结构是将多块 1 /4 椭圆扇 形平板首尾相互连接，使其一个直边垂直于轴线、圆心位于轴线上且圆周紧贴筒体内壁，另一个直 边与轴线在其构成的平面内呈一定角度（25° ～ 40°），从而总体上形成近似螺旋面，使壳程流体以 螺旋状流动。与传统弓形折流板换热器相比，壳 程流体流动方式的改变使其具有壳程压力损失 小，单位压降下壳程传热系数高等诸多优点。

（二）锅内对螺旋折流板

进入 21 世纪，国内对螺旋折流板换热器进行 了深入研究。王晨等利用先进的 PIV 激光粒 子图形测速技术，对螺旋折流板换热器进行研究。结果表明，由于螺旋折流板的存在，壳程流体流动 方向与轴线呈一定角度，流体斜向冲刷换热管及 折流板，减小了管束的震动和死区。而且，管间流 场存在着沿轴线方向波动的径向速度，这可以增 加流体的扰动，减薄边界层的厚度，有利于增大传 热系数。

虽然螺旋折流板很好地改善了传统弓形折流 板换热器的缺点，但其结构设计决定了折流板无 法达到无缝连接，结果是一部分流体在缝隙较大 处近似平行轴线流动，无法进行螺旋流动和强化 传热，而造成无法挽回的损失，这一问题已引起国 内外学者的讨论。目前，对连续型螺旋折流板换 热器的研究已被提上日程。谢洪虎等对连续折流板换热器进行了数值模拟，并得 到了连续型螺旋折流板的螺旋节距 L 与螺旋折流 板管壳式换热器强化传热效果变化规律的关系和 最佳螺纹节距。

结束语

无论换热器的管程还是壳 程强化传热技术，都会朝着结构简单、传热效率高 的方向发展。在今后换热器强化传热技术的发展方 向上，笔者在此有几点展望：在不增加流体流阻的 条件下提高换热器的传热效率；在保证换热器结构 紧凑的条件下增加有效传热面积；在保证换热器有 较高的使用寿命的条件下使其具有较低的生产成本。

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（作者单位：青岛理工大学）