壳管式换热器强化传热技术研究进展

2020-10-13肖延勇

机电设备 2020年4期

徐鹏，肖延勇

（海军装备部驻大连地区第一军事代表室，辽宁大连 116001）

0 引言

壳管式换热器具有耐高压、密封性好、不易堵塞等优点，广泛应用于石油、化工、核电、制药、食品等工业领域。壳管式换热器的强化换热结构和机理研究对实现高效换热、提高能源利用率、节约投资成本具有重大意义。因此，国内外学者对壳管式换热器的强化传热技术进行了深入地研究。

1 强化传热的主要方法

从传热学的角度分析传热过程可知，单位时间内的传热量见式（1）[1]。

由式（1）可知，传热量Φ 与传热系数k、传热面积A 和传热平均温差Δt 有关，若要使传热量Φ 增加，可以从提高传热系数k、扩大传热面积A和增大传热平均温差Δt 的角度进行分析。

1.1 提高传热系数k

在传热过程的热阻方面，要提高总传热系数，则需要分析总热阻由哪些分热阻构成，并找出占主要地位或份额较大的分热阻，因为这一环节的分热阻具有减小总热阻的最大潜力，然后从结构设计或改变材料等方面设法强化传热，减小这一分热阻，从而显著提高传热系数。

1.2 扩大传热面积A

横纹槽管的试验测定表明，如果管内的介质为空气（Re＝2.0×104～3.4×104），横纹管较光滑管的换热系数可提高约1.7 倍，压降增加约2.2 倍。如果介质为水（Re≈4 000），则这2 个参数可以分别提高约2.4 倍和2.7 倍[6]。

2.2.3 波纹管

波纹管是将光管加工成波纹形状的翅片，强化传热机理是通过改变断面使得弧形段内壁处产生2 次反向性的扰动，可以周期性地增加流体的扰动，增强其湍动性能，破坏了边界层的热阻层，从而可以有效增大传热系数。通常情况下，波纹管较普通的光管换热器效率提高2 倍～3 倍。

龚波[7]利用FLUENT 软件对波纹管管内流体在湍流下的流动与换热情况进行了数值模拟研究，探究了管内流体流动状态和管道结构对流动阻力和换热系数的影响，拟合出了流动阻力与换热系数的关联式，并与试验数据进行对比，验证了数值模拟结果的可靠性与有效性。

2.2.4 缩放管

缩放管是由多节交替分布的收缩段与扩张段构成的波形管道，缩放管强化传热的机理为：流体在扩张段区域时速度相对较低，静压增大；流体在收缩段区域时，速度增大，静压减小。由于收缩段与扩展段交替分布，流体在方向反复变化的轴向压力梯度作用下进行流动。流体在扩张段产生的漩涡可以在收缩段中得以利用，加上速度增大，可以冲刷流体边界层，减薄了边界层的厚度，从而有效强化换热。

缩放管因其结构的特殊性，可强化管内管外单相流体（特别是雷诺数较高流体）的流动和传热。张亚君等[8]对缩放管的传热与流阻特性进行了试验和工业应用研究，发现在流阻损失相同的情况下，其传热量比光滑管提高了70%。

2.2.5 管内插入物

常见的管内插入物种类很多，如螺旋线圈、扭带、线圈与扭带混合、螺旋片、不规则异形片等。在管内插入一些特殊的物件可以强化单相流体（如气体、低雷诺数流体或高黏度流体）的传热。各种插入物强化换热的机理主要是：插入物的存在破坏了流体沿轴向平行流动的流动状态，使得流体沿插入物的结构径向流动，一方面因流动方向反复改变而加强了流体的强烈混合，另一方面插入物的存在也增加了传热面积，其综合作用提高了对流换热系数。

PROMVONGE[9]研究了扭带外套扰动线圈对管内流体换热的影响，试验表明：在Re＝3 000～18 000范围内，与光管相比，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，而且在一定范围内，传热效果随着扭曲带的扭曲程度变高、线圈排布变密而显著提高。

英国Cal Gavin 公司研制出了一种叫Heatex的内插件，其圆芯体能延伸至管壁并紧密接触，能够使管内侧的传热效率提高2 倍～15 倍。另外，该公司还开发了一种叫Hitran 的丝网内插件，在液体工况下，可使壳管式换热器的管程传热效率提高25 倍；在气体工况下，可使管程传热效率提高5 倍。与正常流速相比，这种内插件能使换热管的防垢能力提高8 倍～10 倍[10]。

2.2 强化壳程技术

强化壳程传热的研究主要是改善壳程的结构，传统的壳程流体是横向冲刷换热管束，研究者多采用一些折流结构（如螺旋折流板、整圆折流板、螺旋叶片、折流杆）和壳程内插物（如扭曲带、空心环）进行改善和优化，使管内流体基本呈现逆流的纵向冲刷。

2.2.1 螺旋折流板

螺旋折流板是将很多块1/4 椭圆扇形平板首尾彼此连接，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25°～40°，从而总体上形成近似螺旋面，可以使壳侧流体呈现连续的螺旋状流动。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[11]。螺旋折流板的强化传热机理是壳程流体的流动状态（类似于柱塞状流动），可提高传热温差；同时，流体因折流板的结构而螺旋流动，破坏了边界层的形成，在半径方向形成速度梯度，促进了流体的湍流流动而强化换热。

王晨等[12]利用PIV 激光粒子图形测速技术，对螺旋折流板换热器进行了研究。结果表明，螺旋折流板使得壳程流体流动方向与轴线能够呈现一定角度，使得流体斜向冲刷折流板和换热管，进而有效减小管束的震动和流动死区。同时，管间流场因沿轴线方向波动的径向速度而增加了流体的扰动，减薄了边界层的厚度，有利于强化传热。

谢洪虎等[13]利用数值模拟手段对连续折流板换热器进行了研究，得到了螺旋节距L 与螺旋折流板壳管式换热器强化传热效果变化规律的关系以及最佳螺纹节距。

2.2.2 折流杆支撑

折流杆换热器的壳程以折流圈上的杆式结构代替了传统的弓形折流板结构，相互平行的折流杆和折流圈统称为折流栅，以一定的间距及排列方式布置在壳体内。折流杆换热器的换热机理是壳程流体由传统的横掠管束变为纵掠管束，加上折流杆对流体的扰动作用，使得折流杆后面漩涡脱落，流过折流圈时有文丘里效应，和折流圈后面产生的漩涡尾流，极大地促进了流体的混合，从而提高传热系数。折流杆换热器具有壳程压降小、流动阻力小、传热面积充分、管束振动小的特点，其缺点是折流栅和折流笼的制造和安装比较麻烦，而且只有在大流量及高流速的场合才能体现其优良的性能[14]。

2.2.3 空心环网板支撑

空心环是由小直径短钢管构成的，其均匀分布在换热管束间，与换热管束呈现线性接触，从而使换热管束被稳定地固定。利用空心环网板支撑，能有效减少壳程流体反复折流而损耗的能量，使得流体的压力损失能够更好地用于促进换热管束外表面的流体湍流状态，且能起到冲刷换热管束而强化换热的作用。

邓先和等[15]在实验与工业化研究的结果中表明，同等壳程压力降条件下，采用缩放管时，空心环壳管式换热器比折流板管式换热器壳程传热系数可提高50%～80%。

2.2.4 旋流网板支撑

旋流网板支撑结构多为旋流片和螺旋扭片，当旋流片呈连续的短扭带时，壳程流体压降小，而下游的自旋流作用可以强化高雷诺数流体的传热。当壳程流体平行于换热管束纵向流动时，可以形成旋流并促进湍流，旋流和边界流作用形成二次涡流，破坏和减薄薄壁流体的边界层，提高传热效率。流体自旋是一种强化对流传热的有效手段，当流体流过一段较短的扭带时，流体被迫作螺旋流运动，当离开旋流片时，形成的自旋流可在下游区域持续很长的距离[16]。

周水洪等[17]结合试验和数值模拟手段，研究了空心环和旋流片支撑时的流体湍流流动和传热性能，结果表明，旋流片能迫使流体作强烈的三维螺旋运动，增强流体湍流度，同时使流体冲刷壁面，减薄边界层，其传热效果优于空心环。

2.2.5 管子自支撑

近年来常见的支撑管有刺孔膜片管、螺旋扁管和变截面管等形式。

刺孔膜片管的刺孔膜片不仅能起到支撑作用，还能使管壁延伸，有效增加传热面积；毛刺和小孔破坏了边界层的发展，增强了壳程流体的湍动性能和混合程度，从而提高了换热系数，壳内流体纵向流动，压降很小[18]。

螺旋椭圆扁管具有双面强化的作用，靠相邻换热管突出的点接触而起到支撑作用。这种结构使得管内、外流体呈螺旋运动，使流速和流向发生周期性变化；壳程流体流经相邻管子的螺旋线接触点形成脱离管壁的尾流，增大了流体本身的湍流度，破坏了管壁上的流体边界层，从而使壳体传热得到增强[19]。

变截面管是将普通圆管用机械方法相隔一定间距并互成一定角度轧制出扁管形状的管子。变截面管靠变径部分的点接触互相支撑，同时又组成了壳程部分的扰动元件，其结构简单，且为双面强化管，最大的弱点是管内阻力太大[20]。