管壳式换热器壳程流动传热特性及其影响因素研究进展

2022-11-08殷小明

化工装备技术 2022年5期

殷小明*

（上海市特种设备监督检验技术研究院）

0 引言

各种化工原料的生产过程都需要进行热量交换及传递，其中应用最广泛的化工换热设备是管壳式换热器，其结构简单、选材范围广、可靠性强，且能在高温高压环境中使用。随着能源危机加剧，自然资源短缺和企业大规模生产程度推进，对管壳式换热器的需求量也不断增大。针对管壳式换热器的流动传热特性的研究一直在进行，旨在优化换热器结构、提升换热器换热效率并降低其失效风险。

本文分别从壳程结构及流体特性两个方面对管壳式换热器的流动传热特性进行综述，其中壳程结构主要包括管束支撑结构、换热管外表面结构及管束的排列方式，流体特性主要为流体进口速度，分别综述了相关因素对管壳式换热器壳流动传热特性的影响。

1 壳程结构对管壳式换热器流动传热特性的影响

管壳式换热器内的冷热流体主要通过换热管外壁面进行热量传递和交换，壳程是换热管外流体流经的区域。壳程结构形式包括换热管外表面结构、管束支撑结构及管束的排列方式，这些因素都会对流体的流动传特性、沿程阻力及压降产生影响。

1.1 管束支撑结构

管壳式换热器支撑结构形式包括折流板、折流杆及空心环等，其不仅可以支撑管束，还可以改变流体流动方向，增强流体扰动程度，提高换热效率。壳程流体存在流动“死区”，应改进管束支撑结构，尽可能消除流体流动传热“死区”，提高壳程综合换热能力。大量学者对管束支撑结构进行了相关研究，其中最常见的支撑结构是折流板，折流板的结构形式包括弓形折流板、螺旋式折流板及盘形-圆环形折流板等。不同结构形式的折流板适用场所不同，其影响因素也有差异。折流板的流体横向冲刷管束，且部分逆流；圆形孔板的流体纵向冲刷管束，流体完全逆流。弓形板是较常用的折流板，其结构形式可分为单弓形、双弓形及多弓形，传统的管壳式换热器管束支撑结构采用单弓形折流板支撑管束，其作用是阻止换热管因流体诱发振动，流体诱发振动的机理主要包括涡旋脱落、紊流抖振、流体弹性不稳定性和声共振等[1]，使壳程流体产生预期的流速和流型，增加换热管的抗振性，防止在交变应力下，管束发生振动而失效。

金立鹏[2]采用数值模拟研究单弓形折流板的结构对管壳式换热器壳程流体的流场、温度场及换热器综合换热性能影响后发现，随着折流板数目增加，壳程流体出口温度降低，进出口压差增加，壳程换热系数增大，折流板切口方向角增加，壳程出口温度增加，进出口压差及壳程换热系数降低，且折流板转角为45°，壳程进口流速为 1.5 m/s 时，综合换热性能最好。

Li 等[3-4]通过实验研究了不同折流板间距对壳程压降及传热系数的影响，并绘制了每排换热管努塞尔数分布图及两折流板间的压降变化。马福华[5]对折流板间距及圆缺率对壳程压降、传热系数的影响进行了介绍，并推导了折流板间距及圆缺率的优化方程，得出圆缺率在0.2～0.35 时，折流板间距与壳径比率取0.3～0.6 较适宜。

郭梦军等[6]通过模拟发现，双弓形板和圆形-圆盘折流板有利于壳程流体的流动及压降区别不大，且比单弓形折流板之间流体滞留区及压降小。螺旋式是一种新型的折流板形式，可使壳程流体做螺旋运动来减少流动死区及回流，具有提高壳程传热系数、减少旁路漏流及抑制流体诱导振动等优点。Movassang等[7]通过实验研究了弓形折流板与螺旋式折流板换热器的换热性能，发现在单位压降下，螺旋板式换热器的换热系数更高，综合性能更好。

梁帅等[8]通过数值模拟不同特征螺旋角折流板对管壳式换热器流动与传热性能的影响，并提出连续型螺旋折流板换热器特征螺旋角的定义方法，发现连续型螺旋折流板螺旋折流段内流体呈周期性螺旋流动，在中心轴向位置不存在柱塞流，特征螺旋角越大，换热器换热性能越好，当特征螺旋角为14°时，换热器综合性能最好，比其他特征螺旋角换热性能高59%～1 192%，特征螺旋角对壳程压降的影响比传热系数更为显著。

管束支撑结构是管壳式换热器壳程的重要部件，其结构形式对壳程流体的压降、阻力及传热系数的影响至关重要，且制约换热管束的寿命，避免换热器因流体诱发振动而引发失效，使流体流动分布更加合理。管束支撑结构形式较多，受影响的因素也较多，寻找一种既能减少流体的压降又能增强换热效果的管束支撑结构是未来研究的方向。

1.2 换热管外表面结构

换热管外表面结构优化主要是扩展流体换热面积，增加壳程流体的扰动程度，在单位时间内，使壳程流体参与更多的热量交换。在管外壁加工轧制成各种形状的低翅片，与传统的光滑管相比，流体在壳程的流动阻力增大，但由于流动换热是多种影响因素共同作用的结果，结合场协同原理，发现沿程阻力对换热的抑制作用较小，反而增加了流体在管道表面的停留时间，当温度梯度较大时，换热器综合换热性能提升较明显。

邬志伟等[9]对平直翅片管换热器进行数值研究，采用k-ε 两方程模型与壁面函数法相结合的方法研究翅片间距对换热性能的影响，翅片间距设置为4、6、8、10 及12 mm。翅片间距增大，管外翅片总数减少，空气侧流通摩擦面积降低，流体扰动减弱，换热性能降低，当翅片间距较小时，摩擦因子较大，随着间距增大，摩擦因子降低。

Liu 等[10]采用数值模拟研究了不同开孔间距对开孔翅片管换热器的空气侧传热性能的影响，发现翅片间距为10 mm 时，雷诺数越大，j因子提高越多，当雷诺数为2 350 时j因子增加8.1%。Yang 等[11]对波状翅片在换热管外表面的热力性能进行研究，对比翅片在换热管的正交分布与斜角分布等结构参数对流体的压降和传热系数的影响，发现斜角翅片换热管的传热系数较正交翅片换热管高20.1%，压降较正交翅片换热管高71.4%。

换热管外表面翅片数量、间距、倾角及厚度等都会对流体的流动阻力及换热性能产生影响，现阶段的研究方法较为单一，并没有相关计算公式拟合综合评价中各种因素影响，且忽略了流体的表面张力在翅片上形态变化及影响。

1.3 管束排列方式

管壳式换热器的壳程空间有限，在单位空间内，管束排列方式不同，会对管束的数量及壳程换热结构产生影响，也会对壳程流体的流动传热特性及流体结垢产生影响。考虑到换热器的结构设计、流体介质本身的属性及制造工艺的复杂程度等因素，换热器在管板的排列方式可分为正三角形排列、转角正三角形排列、正方形排列及转角正方形排列，如图1 所示。

图1 换热管束的四种排列方式

鞠红香[12]对管壳式换热器壳程的换热管束排列方式进行了模拟研究后发现，采用正三角排列的管束结构非常紧凑，热管束与冷流体充分接触，传热面积较大，而转角三角形排列管束因存在顺排换热管束，流体在后排换热速率较小，换热不充分；正方形排列管束的流体阻力很小，流体扰动不明显，换热效果差；转角正方形排列换热管间呈45°，换热空间大，流体流速较小，湍流作用不明显。

孙立勇[13]采用数值模拟了管束排列方式对管壳式换热器壳程流动与传热的影响，分别得出4 种排列方式下换热器模型的速度矢量场、压力场及温度场分布云图。管束数量相同时，换热效果排序为：正三角形＞转角正三角形＞转角正方形＞正方形。正三角形排列的管束结构最紧凑，换热效果最好，但其壳程流体压降最大，能耗较高，拆装困难；转角正三角形的管束换热效果不及正三角形，流体在管束的流程变小，但换热效率比转角正方形大，主要是转角正方形结构存在转角，所受阻力大，流程大且复杂；正方形排列的管束的换热效果最差，但其管间空间较大、排列整齐、拆卸方便且不易结垢。殷天明等[14]采用双向耦合方法分析了不同排列方式及换热管数量的管束振动特性，发现正三角形排列比正方形排列结构的管束更加稳定，更难发生流体不稳定的情况。

管束排列方式不同会对流体在壳程的流动与传热产生不同的影响，目前常用的排列方式是正三角形，其传热效率高，结构紧凑，但同时沿程阻力较大，能耗损失较大，还需要进一步研究管束排列方式，降低能耗同时提升换热效率。

2 流体特性对管壳式换热器壳程流动传热特性研究

流体以不同的速度、压力及温度等状态在管壳式换热器壳程流动时，其流动传热特性也会有差异，尤其是流体进口流速对换热特性产生较大的影响，流体的热物性改善也被相关学者进行了研究。本文着重对流体不同的进口速度对管壳式换热器流动传热特性影响的研究现状进行综述。

2.1 流体进口速度

流体以不同的进口速度进入壳程流动，其在壳程的流动及传热程度不同，流体的速度影响流量，且使流体在管束及支撑结构间扰动更剧烈，换热更加充分，流体的停留时间也缩短了。

孙立勇等[13-14]采用数值模拟研究了流体不同进口速度对换热的影响，将换热器进口流速分别设置为0.4、0.45、0.5、0.55、0.6 及0.65 m/s，得到不同进口流速下的温度场分布图。随着流体进口速度增加，其单位时间内通过流量越大，流体速度梯度也越来越大，湍流程度增强，壳程流体与换热管束接触地更加充分，流体混合程度也增强，换热系数也提高了。

邵宇轩等[15]对不同进口流体速度进行数值模拟研究，在相同折流板间距下，设置进口流体速度分别为0.5、0.6 m/s。当管壳式换热器壳程进口流体速度增大时，折流板后方的高温区域变小，壳程的传热“死区”范围减小，单位时间内流入换热器的流量增加，流体扰流更加激烈紊乱，增强了流体的流动与传热。

金立鹏[2]采用数值模拟折流板转角及壳程进口流速对壳程出口温度和压降的影响。当折流板转角度数相同时，随着流动速度增大，壳程流体湍流程度增加，但冷热流体接触的时间减少，换热量随之减少，壳程的出口温度会随之增加，同时流体的压降大幅度增加。

江竹等[16]研究了在流体不同入口流速条件下，管壳式开孔折流板与未开口折流板壳程流场的数值模拟情况，设置流体速度分别为0.4、0.8、1.2 m/s。随着流体入口速度增大，折流板背部滞留区域也不断增大，开孔折流板比未开孔折流板更有效地减少了滞留区面积，有利于流场的温度场及压力场均匀分布，对提高换热器的传热效率具有促进作用。郭梦军等[9]采用数值模拟了单弓形、双弓形和圆环-圆盘三种形式的折流板在不同壳程进口流速下的流动传热特性。换热器的压降与换热系数随着流体壳程进口流速增大而增大。

通过相关学者的研究发现，流体以不同流速进入壳程，随着速度的增大，流体在壳程内的扰动程度更加剧烈，与换热管束接触更加充分，减少了壳程传热“死区”的范围，增加了出口温度及压降，但显著提高了传热系数。目前研究比较单一，不同的管束支撑结构形式及管束排列方式也会对流体的流速产生影响，从而影响流体的流动与换热，未来需综合研究流体入口速度对壳程流动传热的影响。