针对壳管式换热器的强化换热技术探讨

2022-07-31韩振兴

科学与信息化 2022年14期

韩振兴

上海环球制冷设备有限公司上海 201806

1 强化换热的主要方法

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）：Φ=kAΔt。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。

第一，提高K的换热系数。传热过程中的热阻力，以及想要进一步提高传热的系数，有需要先分析其中什么是总热阻的重要组成部分，确定哪些是主要的或更大的分热阻，而由于这个环节存在着很大的潜力，才能降低总热阻，然后提高导热性，例如，结构或材质，以便提高传热系数。第二，如果提高增加材料消耗来扩大传热面积，不但会提高经济成本，而且会占用大量空间，所以扩大传热面积的最有效途径就是设法以相对较少的材料成本增加膨胀体积（例如使用翅片）。平均传热温差主要决定于防冻液和冷却剂的流出温度及其流场配置方式。在同样的进口和出口温度下，逆流换热相对于其他形式的换热，如顺流或者错流得到的平均对数温差最高，同时可以得到较高的冷流体出口温度或者较低的热流体出口温度。因此在逆流换热的条件下，可以得到更高的冷流体出口温度。所以，在实际的流程配置中，应该综合考虑提高平均传热温差和逆流布局方式的因素。

2 壳管式换热器的强化换热技术的发展状况

壳管式换热器是网络间换热器的主要形式之一，相互平行的换热管管束构成了壳管式换热器的传热面，管道两侧用管板固定，管内流动的液体不接触，通过换热管壁传热。为了提高壳程的换热能力，在大多数情况下，在壳体内设置一个挡板，使壳体内行走的液体改变流动方向[1]。加强液体的搅拌，减少流动死区。世界各国科学家对管内换热和管外换热技术进行了多次研究。壳管式换热器的换热研究主要在两个领域进行：一是从结构入手，设计了新型高效换热管（如螺旋槽、波纹管、缩径管、带丝绕的环管、带加强管的内插），加强换热过程。第二，应采取措施（如螺旋折流板、全回转板、螺旋叶片、折合旋钮等），因此，主要从壳管换热器的工艺和结构方面研究了壳管换热技术。

2.1 强化管程技术

2.1.1 螺旋槽纹管。管式螺旋槽壁有螺旋沟，如果在管内螺旋沟使得管中液体运动形成了局部二次流。从而降低边界层厚度，但同时，部分液体沿轴线运动，形成涡流，造成边界层和边界层分离；而如果在管外，螺旋沟不但扩大了传热方式面积，也提高了内部管纹的涡流效果，而且还能够破坏边界层的稳定性，所以，内部流体运动的传热效率得以提高。这种螺旋槽的设计，有效地提高了管内流体的热膜系数。因此在美国技术企业Calga的研制中，研发出了内、外螺旋槽波纹槽的管，这些螺纹管的换热效率是普通光管的1.5倍。

2.1.2 横纹槽管。管内壁有凸起并相隔一定间距，同时凸起与管轴成90°，主要用于增强在管内流体中的传热能力。当水流通过横排环后，在管壁上形成轴向的涡流，从而增加对流体边界层的扰动，并促使热能通过边界层传导。当涡流消失后，主体液体又可以进入第二个循环，以保持旋涡的形式继续形成。但考虑到漩涡主要在横槽内部附近形成，因此，对主流体流动方向的限制也相对较小，不会导致主体能量损失过大。在对横槽进行测试之后可以发现，如果管道中介质主要是空气，横纹管较光滑管的传热系数可提高约一点七倍，压降约为二点二倍。如果介质为水（RE≥4000），这二种参数都可分别提高大约二点四倍和二点七倍。

2.1.3 波纹管。波纹管是光管波纹当中的一种形式，利用通过改变横向截面来提高热能传输的机理，使在电弧波形部分的外壁内形成了两个反向扰动，周期性地增加流体的扰动，增加流体的湍流，并打破了边界层的隔热层，也因此有效地改善了传热系数。通常，波纹管较普通的光管换热器效率提高2～3倍。利用FLUENT软件对波纹管内研究了流体流动和管道结构对流动阻力和传热系数的影响；建立流动阻力与传热系数的对应关系，并与实测数值结果加以对比，以检验数值模拟结论的可靠性与有效性。

2.1.4 缩放管。缩径管道是由许多节点构成的波形管道，在缩径部分与扩张部分间互相布置，强化换热机理如下：在扩张段流体速度降低，静压增大；在收缩段流体速度增加，静压减小；流体在压力反复改变的轴向压力梯度作用下流动。在扩张段，流体产生剧烈的漩涡，并在收缩段中得到有效的利用且冲刷了流体的边界层，使边界层减薄，从而强化了传热。正是由于这种结构，缩放管能够提高管外单相流体（特别是雷诺数较高流体）的运动速度和传热。经过试验和工业应用研究，发现在相同的流动阻力损失下，传热比光滑管高出70%。

2.1.5 管内插入物。常用的管内嵌件种类繁多，如螺旋线圈、扭转带、线圈与扭转带的混合物、螺旋板、不规则品种等。在管路内嵌入的某些特殊材料，能够强化单相流体（如气体、低雷诺数流体或高黏度流体）的传热[2]。而各种插入物间热交换的增强原因主要是，由于插入物的出现打破了平行于轴向同长度流动的流体系统，从而促使液体沿插入物结构径向运动，一方面是由于流体参数方向的不断变化而引起液体剧烈搅拌，另一方面是为了增加传热方向的尺寸，从而增加对流换热系数。PRomvonge研究了扭带外套扰动线圈对管内流体换热的影响，发现其范围为Re=3000～18000，与光管相比，外套线圈的扭曲带换热管的换热增益是单独使用线圈或扭转带时的两倍，并且在一定的限度内，随着失真区域变得更曲线化，其分布变得更密集，传热效果显著提高。英国卡尔加文公司开发了一种称为Heatex的内部模块，该模块可以将圆芯转移到管壁并与管壁紧密接触，从而使管内传热效率提高2至15倍。此外，该公司还开发了一种称为“HITRAN”的丝线内模块，该模块在液体模式下可将管壳式换热器管程传热效率提高25倍；在气态模式下，可以将管内传热系数提高5倍，与常规流速相比，这种内部模块可将换热器的防污能力提高8～10倍。

2.2 强化壳程技术

壳体强化过程中的传热研究主要是为了改善壳体的通过结构，传统的流经壳体的流体是一束横向冲刷式换热器。研究人员更频繁地应用螺旋偏转板、圆形偏转板、螺旋叶片、弯曲旋钮等折断流动结构和壳体内插值器（如弯曲条、心圈）来改善和优化管外液体的纵向冲刷，这种冲刷主要是反向射流。

2.2.1 螺旋折流板。螺旋折流板将1/4椭圆扇形平面的许多块连接到端部，使中心位于轴上的一个垂直面与圆柱体的内壁相邻，而其所组成的平面中的轴的另一个垂直面为25°-40°，因此，总的来说，它形成一个近似的螺旋曲面，使壳体一侧的液体能够以螺旋流连续运动[3]。与传统的弓形折流板换热器相比，壳体内流体流动模式的变化导致壳体长度的压力损失较小，在单位压力下的传热系数也较好，增强型传热机构则使用了螺旋折流板实现壳内的流体流动模拟（如柱塞运动），可提高传热温差。同时，由于板的层流结构，流体的螺旋运动也破坏了内部分界面的形成，在半径方向上产生了流动梯度，从而推动流体的湍流流动，也因此增加了热交换。

螺旋流消除了弓形折流板换热器反射流产生的气流与折流板边缘产生的气流之间的分离，也减少了涡流分离引起的压力过降的影响。螺旋折流板换热器和传统的弓形折流板换热器的主要形状与热相有关：首先，在相同的直径和壳体流动下，螺旋式换热器外壳的压力降随螺旋角的增大而减小，但在壳体螺旋弯曲的任何坡度下，压力降小于弓形板。二是相同Re数条件下，螺旋折流板换热器的壳层热膜系数高于弓形折流板。三是，在单位压降下，螺旋折流板壳侧对流换热系数高于弓形折流板换热器。目前，国内公布的螺旋折流板式换热器专利80多项，主要分为非连续型螺旋折流板结构和连续型螺旋折流板结构两大类。

王晨等人运用了PIV激光粒子测量方法，对螺旋折流板换热器进行了研究，实验结果显示，螺线光阑可以确定流体向包层方向的流向和轴线，使其能够对干涉板和换热器进行倾斜模糊，因而有效地减少了振荡和流动死区。同时，换热管间流场会因轴向摆动径向速度而增大热流体参数扰动，降低边界层厚度，有利于提高传热性能。谢洪虎等人利用数值模拟研究了螺旋折流板的连续性，得到了螺旋螺距由L和螺旋板管壳换热器加强传热变化规律和最佳螺纹节距。

2.2.2 折流杆支撑。折流杆换热器用支撑环的杠杆代替了传统的弓形折流板结构，铰链上的杠杆相互平行，在一个固定的圈内平行布置，即所谓的流剪切光栅，位于外壳内，具有一定的距离和位置。折流杆换热器的换热机理是，沿壳体方向流动的液体由传统的横向管束转变为直通管，再加上间隔一定距离，相互垂直的折流杆对液体的影响，导致涡流流动的折流杆后面的漩涡剥落，具有文丘里效应，而在折流杆的后面形成涡流尾迹，大大方便了液体的搅拌，提高了传热系数，折流杆式换热器具有壳压降小、传热面积大、换热管振动小等特点。缺点是同样壳体直径下，换热管的数量比三角形排列少，有效面积下降，只有在流量大、流速高的情况下才能表现出优异的性能。

2.2.3 空心环网板支撑。空心环一般由中小口径钢管短节组成，并均匀分布于换热管束间与换热管线性接触，使换热管束紧密固定，提高管束稳定性，减少管束振动[4]。使用空心环网支承时，能有效降低外壳体在泵送过程中流体多次转弯的能量损失，将流体压力损失更好地用来提高流体在换热外表面的湍流速度，以及冲刷换热和加强换热。根据邓翔等人在工业化领域中的经历与成果，提出了一种新的产业化方法。在同等壳侧压力损失下，采用空心环网板支撑的换热器壳层热膜系数相交弓形折流板壳层热膜系数提高50%-80%。

2.2.4 旋流网板支撑。旋流网板支撑由支撑环和螺旋扭转板组成的结构，在连续短扭转带下，壳体内流动阻力小，可利用下游的自旋流强化传热，适用于高雷诺数流体的强化传热[5]。利用旋流网板上设置的旋流构件对流经管隙间的流体进行分段旋流加速，壳内形成涡流并受到湍流的刺激，旋涡和边界飞流产生了二次旋涡，打破并降低了薄壁的流体运动边界层，从而增加了传热速率。当流体流经相对较短的扭带时，流体运动被迫以螺线流的形态移动。当它远离旋涡周期时，形成一个自旋流，在下游可以保持很长的距离。结合试验结果和数值模拟，深入地研究了在支承圆环和旋流器板时流体的湍流速度与传热。研究结果显示，旋流器能使液体在强烈的三角螺旋运动中稳定工作，增加液体的湍流，并能清洁液体壁面，从而降低了边界层，因此传热效率高于空心圆环。