管壳式换热器强化传热综述

管壳式换热器强化传热

随着现代工业的快速发展，对能源的需求越来越大．而利用高效换热器可以吸收化工、石油生产过程中存在的大量余热，既节约了能源，又减少了污染。与板式、板翅式换热器相比，管壳式换热器由于其适用性广、坚固耐用、密封性较好以及其结构简单、清洗方便是石油、化工等领域应用最普遍的一种换热器(占整个换热器设备的70％以上) [1]。因此．如何最大限度地利用热能和回收热能，强化管壳式换热器成为人们所研究的重点之一。

(一) 强化传热的途径

单位时间内的换热量Q与冷热流体的温差△t及传热面积F成正比，即：Q=k·F·△t ．可见强化传热可以通过增加传热面积F、加大传热温差△t ，提高传热系数K3个途径来实现。

1．1 增加传热面积F

增加传热面积不应理解为单一扩大设备体积或台数，而应是采用改变传热表面结构或材料性能合理提高设备单位体积的传热面积．使设备高效、紧凑、轻巧。如采用螺旋螺纹管、翅片管、波纹管、粗糙表面管、异形管等方法都能使传热面积增加。

1．2 加大传热温差△t

在考虑到实际工艺或设备是否允许的情况下，改变冷热流体温度或改变换热流体同的流动方式如逆流、错流等，就可改变传热温差血，但这种方法受生产工艺、设备条件、环境条件及经济性等方面限制，实际操作时有一定局限性。

1．3 提高传热系数k

提高传热系数小的一侧传热面之传热系数．就可使设备总传热系数大幅度提高。当今世界上强化传热研究的重点就是提高传热系数，有一种趋势是改善流体自身流动状态，加强湍流来实现强化传热。管壳式换热器其主要换热元件是管子，因此改变营子截面形状、改变管子表面结构、在管内插入扰流装置或在流体中掺八颗粒等都能改善流体自身流动状态从而达到强化传热目的[2]。

（二）强化传热技术

换热器的强化传热就是力求使换热器在单位时间内，单位传热面积传递的热量达到最多[3]．强化传热技术的应用主要表征在设备尺寸缩小，投资省．可减少操作费用，获得较显著的经济效益应用强化传热技术可以用结构相对紧凑的换热设备来传递规定的热量，还可以达到以往传统换热器达不到的加热或冷却效果在设备改造过程中．开发新型换热器，常常受到原设备所处工况的限制，所以．对传统的管壳式换热器采用强化传热措施是非常有效的传热

强化途径目前，常用螺纹管、波纹管、螺旋槽纹管、横纹管、缩放管、管内插入物等来代替光管以达到强化传热的目的[4]．

（三）强化型管壳式换热器的发展现状

强化型管壳式换热器主要是从管程和壳程两大方面进行传热强化的．

3. 1 管程强化传热

通常可对换热管进行加工得到各种结构不同的异形管，通过这些异形管进行传热强化．

3 .1．1 螺旋槽纹管[5-6]

螺旋槽纹管管壁是由光滑管挤压而成，有单头和多头之分，其管内传热强化主要因两种流动方式起决定作用，一是螺旋槽对近壁处流动的限制作用，使管内流体做整体螺旋运动来产生局部二次流；二是螺旋槽所导致的形体阻力，产生逆向压力梯度使边界层分离．螺旋槽纹管能在有相变和无相变的传热中显著地提高管内外的给热系数，具有双面强化传热作用适用对流、沸腾、冷凝等工况，抗污垢性能高于光管，传热性能较光管提高2～4倍．华南理工大学对螺旋槽管管内流体进行了实验研究，结果发现单头螺旋槽管比多头螺旋槽管的性能好．

3．1．2 横纹营【7-8】

横纹管通常是将光滑换热管经滚压加工成的，其外壁上有沿轴向间隔的环形槽，内壁则由于外壁环形槽向内扩展而出现对应的环状凸出，使沿内外管壁流动的流体均产生边界层分离流，促进了流体的紊流强度，增加了流体边界层的扰动，从而强化了管内外的传热过程．用

横纹管制成的管壳式换热器与传统的光滑管换热器相比总传热系数提高85％．这种横纹管不仅能用于单相对流传热．也可用于强化管内流动沸腾传热，而且能同时强化管子的内、外传热[7]

3．1．3 螺纹管

螺纹管是一种由钢管经环向滚压轧制而成的整体低翅片管，其螺纹状的低翅片与管子掏成.体，具有较好的_力学、传热和热膨胀等性能．试验表明，当管内的传热系数比管外的大两倍以上时，其总传热系数值可提高20％～30％[8]因此．当管内膜传热系数为管外膜传热系数2倍或更大时．用螺纹管合适．螺纹管也可用来强化有相变流体的传热．3．1．4

内渡纹螺旋管【9】

该管结构与螺旋槽管相比，具有双面强化作用，它是通过对光管的轧制而成．由于管内螺旋状波纹的存在，提高紊流的脉动性，减小层流底层，使总的传热系数较光管提高1．7倍[9]，在湍流时可使对流传热系数增加1倍多，从而达到强化传热的目的．

3. 1．5波纹管[10]

波纹管是用普通无缝薄钢管经过特殊加工而成的，外形像糖葫芦一样．波纹管换热器属管壳式换热器，只是换热管改成先进的专利波纹管．使其管内流体在低流速的情况下呈湍流状态，总传热系数较光管提高2 .8～3倍．波纹管的轴向剐度小，可有效地吸收温差变形，所，波纹管换热器可以不设膨胀节.

3．2 壳程强化传热

壳程强化传热．可以通过上述改变管子外形或在管外加翅片来实现，锯齿形翅片管和花瓣形翅片管就是典型例子，此外，还有烧结多孔表面管和机械加工的多孔表面管．壳程强化传热的另一途径就是改变壳程档板或管闻支撑物外导流筒折流杆换热器就是典型例子.

3．2．1强化冷凝的锯齿形翅片管和花瓣形翅片管

锯齿管是一种新型冷凝传热管锯齿管比螺纹管翅片距更密，而且翅片外缘带有锯齿缺

口，其传热面比螺旋管还大由于翅片顶部呈错开锯齿状，使冷凝液的流动呈扰动状态促进了冷凝液膜的对流传热，所以锯齿管的管外冷凝给热系数是光管的6倍，是低肋管的1 5～2倍

花瓣形翅片管是一种特殊的三维翅片结构强化传热管，其最大的特点是翅片从翅顶到翅根都被割裂开，翅片侧面呈一定的弧线，并有相对较小的曲率半径．从截面上看各翅片呈花瓣状．花瓣形翅片管的冷凝传热系数是光管的11—18倍．在自然对流条件下，花瓣形翅片的单管冷凝传热系数比锯齿形翅片管提高了8％～10％.

3．2．2 强化沸腾传热管

用于有相变强化传热的强化沸腾传热管有：烧结多孔表面管、机械加工的多孔表面管、电腐加工的多孔表面管、T型翅片管、ECR40管和Tube—B型管[11]．武汉冷冻机厂分别用表面机加工的多孔管与目前制冷业流行的低肋管组装而成的两台蒸发器进行比较，结果表明：多孔管的热流密度比低肋管高36％，可减少传热面积26％．目前，高效沸腾传热管可用于制冷剂的蒸发，轻烃的分离、地热发电、海水温差发电、废热余热的动力回收以及水溶液的蒸发等低温差沸腾传热过程[12]．

3.2.3 外导流筒折流杆换热器

折流杆换热器是美国菲利蒲公司70年代为减小天然气流体诱导振动而研制的一种杆式折流栅式换热器．80年代在我国开始推广应用．该换热器改善了管壳式换热器的流体分布和温度分布，消除了壳程滞流区．现在折流杆换热器广泛应用于单相、沸腾和冷凝各种工况．它可采用外导流筒结构，最大限度地消除管壳式换热器挡板的传热不活跃区，增加了单位体积设备的有效传热面积.

目前。应用的浮头式折流杆管壳换热器均带有外导流筒[13]．最近，武汉化工学院郭丽华、冯志力等对浮头式内导流筒折流杆换热器进行了壳程进出口降阻试验，目前，这种换热器的内导流筒结构正在进一步探讨阶段．

(四)强化型管壳换热器发展方向

由于强化传热元件的多样性，具体应用时，缺乏相应的传热关联式，有关强化传热管的流体阻力系数和传热准则方程都停留在经验或半经验的关联式水平上因此，今后应致力于强化传热技术的推广和应用，包括对实际应用情况的传热关联式的研究和提出；另一方面，应对强化传热的理论和模型进行深入研究，不断开发新的强化传热技术．此外，强化型换热器流体流动状态极其复杂。存在偏流问题[14]．尤其是大型换热器，随之低温度差、低压力损失设计的增加，换热器的偏流问题更不可忽视．总之，对强化型管壳换热器的振动、腐蚀、