新型纵流壳程式折流杆换热器的研究进展

许福泉(福建省锅炉压力容器检验研究院，福建 福州 350008)

0 引言

能源是国民经济发展的基本动力。在中国目前的工业生产体系中，由于生产技术的落后，工艺流程不够完善，以及设备能率的低下，很多企业的工业生产能源消耗巨大，能源利用率却不高，由此引发的各类生态问题也十分严峻。而换热器对实现节能降耗有重大影响，一直是国内热工技术工作者所关注的热点。

纵流壳程换热器是一种新型的高效换热器，也是管壳式换热器的一种。不同于传统的横流式换热器，它采用新型管束支撑，使壳程流体为纵流流动，多用于高雷诺数的条件。新型纵流壳程换热器具有传热效率较高、流动阻力小、抗结垢能力强、设备投资及操作费用低等优点[1]。在新型壳程纵流式换热器中，壳程纵流式折流杆换热器是文章研究的中心。在实际运行中，折流杆换热器取得了优秀的换热表现，获得了良好的经济效应。也由于其在工程应用上的优越性，折流杆换热器在石油化工领域颇受关注，引发广泛研究。

1 纵流壳程式折流杆换热器的特点

1.1 纵流壳程式折流杆换热器的结构特点

折流杆换热器是一种壳内管束由一系列折流杆支撑的管壳式换热器。折流杆支撑也叫折流栅支撑，是换热器的核心部件，由一系列折流圈组成。折流圈上焊着折流杆，其直径与相邻两管间隙相当。

和传统的折流板换热器相比，折流杆换热器壳程传热变化并不大。但在壳程结构中，以折流栅取代了传统的折流板[2]。这种结构的改变，使壳程流体沿壳程轴线方向流动，即流体纵向流动，取代了原来的横流与错流。据报道，这种改变使其壳程压力降减少35%左右，总传热系数与压力降之比(K/Δp)提高50%以上[3]。而在相同的热负荷下，传热面积能减少20%～30%。

1.2 纵流壳程式折流杆换热器的性能特点

折流栅通过扰动壳程流体，使之处于紊乱状态，最终提高抗振性能。同时消除“传热死区”，充分利用传热面积，从来强化了传热。折流栅的主要强化传热原理如下所示。

1.2.1 流体经过折流圈所产生的漩涡脱落

当流体的流速达到一定值，流体对边界层液膜的剪切力的作用，杆和扰流圈产生漩涡和湍流，从而减薄液膜，最终破坏了液膜。在一定的频率下，漩涡会以一定的周期从杆和扰流圈上脱落。漩涡的产生会扰动壳程流体，使流体呈紊流状态，并减薄了流体的热边界层。这样强化了换热性能，但是增加了压力降。漩涡的强度与流体流速有关，流速愈大，流体紊流程度就愈激烈。同时，漩涡强度随着流程而减弱。而在漩涡强度减弱到一定程度或是消失时，流体流通后面的折流杆、折流圈时，又会产生新的漩涡与节流。这样，在传热管的外壁上，始终存在着漩涡，有益于增强传热性能。

1.2.2 流过折流圈时的文丘里效应

文丘里效应的产生是由于：壳程流体通过折流圈的时候，一小段的涌流横截面积突然缩小，而通过折流圈后又恢复。这种流通截面大小的突变，导致了流体流束的变化，加剧了流体的紊流程度，提高了流体流速，从而强化了对流传热效果。在最初设计文丘里效应的结构时，并不是为了增强传热性能，而是要满足设备装配的要求。因此，在进行设备设计，尤其是换热器的时候，应该首先达到设备转配的需要，再尽可能减小壳程内壁和折流圈之间的间隙大小，增加结构的紧凑性。

1.2.3 折流栅的旋转布置引起的流体旋转流动

折流栅间隔一定距离，以特定排布方式布置在换热器壳体内。而壳侧流体则会纵向冲刷管束。流体会由于折流栅的布置角度，同时进行着一定程度的旋转流动，这会使得流体微团更有效地进行传热过程，增加有效传热面积，并且加剧流体紊流程度，使热边界层减薄。流体旋转的同时，会产生二次流，使传热表面的边界层不断破坏和再生，压力降也大大减小，使传热效果更佳。

综上所述，折流杆换热器的壳程流体纵向流动，强化了对流传热。这种新型纵流壳程换热器拥有综合传热系数高，流体压力降小，传热死区小，抗振能力强等传统管壳式换热器所不具有的优点。

2 纵流壳程式折流杆换热器的局限性

尽管纵流壳程式折流杆换热器在各个方面优越于传统的折流板换热器，但在实际应用方面，传统的换热器仍然拥有远超折流板换热器的市场。这其中的原因不仅是因为折流板换热器理论完善，技术成熟，更主要的是由于折流板换热器自身的局限性，制约着它的工业应用。

壳程流体的流速(u)是影响壳程给热系数(α)的主要因素，而α与u的关系为：α∝μ，n=0.6～0.8。壳程流体的流速与壳体的直径和流量有关。当两者一定时，传统的管壳式换热器还可以调整折流板的间距和缺口尺寸来，从来得到需要的流体流速。而折流杆换热器却无法使用这种方法，当流量确定的时候，想要增加流速，只能通过缩短壳体的直径来实现。因此，折流杆换热器的长度和壳体直径的比值(长径比)通常会很大，而这在许多工程应用上是不允许的，折流杆换热器就无法得到广泛应用。折流杆换热器一般只应用于壳程流体流量比较大的工作条件下，即雷诺数(Re)较大的情况。在小流量(低雷诺数)下传热效果甚至不如传统的折流板换热器。据报道，Re＞1.6×104时，折流杆换热器的优越性才能体现。而在实际工程项目中，Re＜1.6×104的情况更多，这就限制了折流杆换热器应用的广泛性。

3 纵流壳程式折流杆换热器的技术展望

改进纵流壳程式折流杆的结构，突破其局限性，使之能在低雷诺数下使用，这一课题具有重大意义。目前，有两个方向的强化传热技术，分别为单项强化传热技术和复合强化传热技术。单项强化技术是对折流杆及其组合结构进行创造和改进，而复合强化技术是使用多种强化手段来优化传热结构。下面分别介绍几种新型技术。

3.1 单项强化传热技术

3.1.1 扁杆抗振栅

目前，胡明辅等人发明了一种新型折流杆结构[4]。这种结构抗振能力更强，能在激振条件下保持稳定。扁杆抗振栅结构是由扁钢支撑条和支撑圈组成的。其中，前者代替了原本的整圆形折流杆，后者相当于折流圈。这种结构下，会形成“双壳程”折流杆换热器。在相同条件下，这种换热器会使流速提高一倍，而且保留了原结构的各种优势性。

3.1.2 波形折流杆

波形折流杆的出现时为了改造原本的折流板换热器，使之替换成折流杆，而不改变原来的换热管与它的排列方式，从来节约投资，并增强换热性能。严良文等人设计出这种结构[5]，并拥有其专利权。该构造克服了结构松散的缺点，用波形折流杆替换整圆形折流杆，性能更佳优越。目前，波形折流杆结构已取得实际应用，投入生产。

3.1.3 抗振折流杆

这种新型折流杆结构使用波浪形折流杆，明显增强了文丘里效应和涡流脱落现象，大大增加了流体的紊流程度。这种结构最大的优点就是克服了一般折流杆换热器最显著的缺点，使换热器能在低雷诺数下获得良好的传热效果。

3.2 复合强化传热技术

复合强化传热技术被誉为当代最有希望的强化传热技术，又称为第三代传热技术。这种技术能够更好地增强换热器的传热性能，弥补单项强化传热技术的不足。事实上，前者就是后者的有机结合，使之优势互补，从而提高综合性能。下面是几种常见的复合强化传热技术，有的已经得到实验验证，有的正在研究，还需要理论分析。(1)折流杆与弓形折流板复合；(2)折流杆与大管孔孔板复合；(3)折流杆与管间旋流器复合；(4)波形折流杆与三角形布管；(5)折流杆与横纹槽管组合。

从上述方案可以了解：在管程上，使用强化管取代光滑圆管，换热器性能必然提高。在壳程上，管束支撑结构的改进，从弓形折流板到折流杆，结构简单化，而传热面积得到充分利用，综合性能明显提高。而高效换热管与新型管束支撑的有机组合，将推动换热器发展的历史，使换热器在相同条件下拥有最佳传热性能。

4 结语

自外国公司对具有壳程纵向流的折流杆换热器的结构和应用进行研究以来，中国于20世纪80年代末至90年代初也对纵流式管束支撑物进行了开发和研究。纵流壳程换热器拥有传统管壳式换热器所不具有的高效传热效果和优越的抗振表现，吸引了国内外研究者的目光。尽管目前在理论研究和实际应用方面存在着诸多问题，但随着技术的发展，以折流杆换热器为代表的各种新型纵流壳程换热器必将不断完善，克服自身的缺陷。纵流壳程式折流杆换热器的使用性能明显优于传统管壳式换热器，所以其具有较为辽阔的推广应用前景。随着该项技术的进一步发展和应用，必将在我国节能减排事业中发挥出重大作用。