浅谈管壳式换热器强化传热

浅谈管壳式换热器强化传热

热能1303梁皓天20132586

随着现代工业的迅速发展，以能源为中心的环境、生态等问题日益加剧。世界各国在寻找新能源的同时，也更加注重了节能新途径的研发。强化传热技术的应用不但能节约能源、保护环境，而且能大大节约投资成本。换热器由于其在化工、石油、动力和原子能等工业部门的广泛应用，使得换热器的强化传热技术一直以来受到研究人员的重视，各种研究成果不断涌现。

管壳式换热器又称谓列管式换热器，是以封闭在壳体中管束的壁面作为传热面的间壁式换热器，结构一般由管箱、壳体、管束、管板、折流板等部件组成。目前，国内外工业生产中所用的换热设备中，管壳式换热器仍占主导地位，虽然它在换热效率、结构紧凑性和金属材料消耗等方面，不如其他新型换热设备，但它具有结构坚固，操作弹性大，适应性强，可靠程度高，选材范围广，处理能力大，能承受高温高压等特点，所以在工程中仍得到广泛应用。管壳式热器固然有其优点，并为产业节能方面做出了巨大的贡献，但在新的节能减排形势下，其缺点（压降大、流动死区、易结垢、震动、传热效果差）严重的限制了其发展和生存的空间，为了节能降耗，提高换热器的传热效率，需要研发能够满足多种工业生产过程要求的高效节能换热器。因此，近年来，高效节能换热器的研发一直受到人们的普遍关注，国内外先后推出了一系列新型高效换热器。

目前传统强化换热的方法大体上可以分为三类，管程强化传热，壳程强化传热，整体强化传热。

管程强化换热主要有两种方式，一是改变管子形状或者提高换热面积，如：螺旋槽管、旋流管、波纹管、缩放管、螺纹管等；二是增强管内的湍流程度，例如，管内设置各种形状的插入物。其中，改变换热管设计的方式，如改变换热管形状，或加大管程流体的湍流程度、传热面积，具体的设计对象包括波纹管、伸缩管、翅片管等。而另一种类型包括管内插物的设计，及通过管内绕丝花环、纽带等，实现管程的湍流程度；相比较来说，在管内插物的形式执行简单、效果较好、投资较少，是目前主要应用的管程强化传热形式。

下面详细介绍一下主要管程强化传热的换热器特点。

（1）螺旋槽管是通过专用轧管设备将圆管在其表面滚压出螺旋线形的凹槽，管子内部形成螺旋线形凸起，如图1所示，管内介质流动时受螺旋线型槽纹的导向使靠近管壁的部分介质沿槽纹方向螺旋流动，这就使得边界层的厚度较大程度的减薄，提高换热的效果；部分介质沿着壁面纵向运动，经过槽纹凸起处产生纵向漩涡，促使边界层分层，加速边界层中介质质点的运动，进而加快了管壁处介质与主体介质的热量传递。

（2）波纹管是将管子加工成内外均呈连续波纹曲线的一种强化管，如图2所示，使管子的纵向截面呈波形，由相切的大小圆弧构成，管内流体的流动状态不断变化，使流体的湍流程度增加从而强化传热。主要适用于管内外介质有加热、冷却热交换的场合，其特点为传热效率高，这一特点是依靠独特的传热元件—波纹管来实现的。波纹管特殊的波峰与波谷设计，使流体在关内外形成强烈扰动，大大提高了换热管的传热系数，其传热系数比传统管式换热器高2~3倍。波纹管在工作过程中，一方面管内外介质始终处于高

度湍流状态，另一方面内外介质产生温度差，使得波纹管会产生微量的轴向伸缩变形，管内外的曲率会随之频繁变化，由于污垢与污垢之间会产生拉脱力，所以使水垢破裂而自动脱落，从而不会产生污垢。

（3）这种强化传热方法是基于管内插入物能使介质产生涡旋运动，如图3所示，从而增强流体的径向混合，有助于介质速度和温度均匀分布，以增强传热，内插物管尤其对低雷诺数、高黏度流体的传热更为有效。插入物的种类很多，如螺旋线、扭带、螺旋片等，实验表明，在层流换热时，管内插入扭带后，对流传热系数可增大2~3倍

根据间壁传热原理分析，传热效果相对较低一侧在大程度上影响着换热设备的换热效率，而这一侧通常位于壳程，于是研究开发出了折流杆式、螺旋折流板式、曲面弓形折流板等换热器。就目前来说，螺旋折流板技术应用较为广泛，且取得了较好的成果。螺旋折流板在构造上利用四分之一椭圆扇形平板进行首尾相连，从而实现一个直角边垂直于轴线、圆心位于轴线上的突出结构。在总体构造上呈现出螺旋形，促使液体进入之后也以螺旋形方式流动，可以很好的减少壳程压力损失。

壳程强化换热的换热器如下

（1）折流杆换热器主要是将壳程的折流板改用折流杆来固定管束，每根换热管由四根杆条从上下左右四个方向固定，使管子在流体的作用下不易产生振动。

（2）螺旋折流板换热器采用若干块1/4壳程截面的扇形板组装成螺旋状折流板，如图5所示，使壳程介质呈螺旋状流动，其介质流动的返混较少，几乎不存在死区，同时在离心力的作用下介质与换热管接触后会脱离管壁而产生尾流，使边界层分离充分，改善了传热效果，相同流量条件下压降最大可以降低45%；同时螺旋折流板又能在较低压降下使介质产生较大的流速，提高了雷诺数，从而使得传热数显著提高，传热系数可提高20%~30%；

（3）曲面弓形折流板换热器是一种新型管壳式换热器，如图6所示，折流板的曲面是圆弧面，每块折流板曲面外凸侧朝向壳程流体进口，利用圆弧形折流板使被导流后的壳程流体流动曲线趋于光滑，并与介质流通通道相一致，显著改善壳程介质的流速分布情况，流动死区、传热死区明显减少。

整体强化通常是将管程和壳程强化联合起来，从而取得更高的强化传热效果，例如，螺旋折流板与波纹管相结合，或者折流杆与波纹管相结合等；还有一种就是通过改变管子形状使得管壳程传热均得以强化，例如，螺旋扁管换热器、变截面管换热器、交错扁管换热器等。

新式的增强换热方法有表面振动和流体振动，无论是高频率还是低频率振动,都主要用于增强单相流体传热。其机理是振动增强了流体的扰动,从而使传热得以强化。虽然振动本身对强化传热有不小的贡献,但激发振动所需从外界输入的能量可能会得不偿失。为此,山东大学研究表明,可利用流体诱导振动来强化传热,依靠水流本身激发传热元件振动，会消耗很少的能量。利用流体诱导振动强化传热既能提高对流传热系数,同时又能降低污垢热阻,即实现了所谓的复合式强化传热。由于换热设备一般质量很大,表面振动这种方法难以应用,然后就出现了流体振动,该方法是振动强化中最实用的一种类型。所使用的振荡发生器从扰流器到压电转换器。主要用于单相流体的强化传热。超声波在液体介质中传播时会产生机械作用，空化作用，和热作用。当这三种作用同时存在时，可以削弱垢的形成能力及其附着在金属管道壁面的能力。

管壳式换热器的发展总体上是支撑式的发展，从弓形折流板式支撑，到折流杆式支撑最后到管子的自支撑，随着壳程支撑结构的改变，管壳式换热器的壳程膜传热系数表现为连续提高的发展趋势，压降表现为不断降低的发展趋势，换热器的综合传热性能得到明显的提升。

（1）随着计算流体力学和计算传热学的快速发展，数值模拟是对换热器进行传热强化研究的实用工具，能够预测传热过程的影响因素，且方法简单、效率高、费用低；

（2）借助先进仪器，如激光测速、红外摄像仪等“可视化技术”，深入研究换热器的流场分布和温度场分布，彻底弄清强化传热的机理。

（3）开发新型高效节能换热器，如缠绕管式、微尺度等紧凑式换热器，这将在高新技术领域中具有广泛的应用前景。

在这门课程的学习中我学到了很多有用的东西，也发现这门课程比看起来有趣多了，希望能在今后的工作生活中学以致用。