强化传热技术与新型热交换器
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强化传热技术 及新型热交换器
换热器是实现热交换过程的设备。它广 泛应用于电力、化工、炼油、制冷、低温、 冶金、建材、环保、航天、航空、食品、 轻工、医药等部门，是量大面广的通用设 备。以石油化工为例，各种换热器重量占 工艺设备总重的40%。在年产30万吨的乙 烯装置中，各种换热器达300-500台。
改进板式支撑结构
双弓形及多弓形折流板 螺旋折流板 整圆形隔板 花隔板
折流板与折流型式-2
折流板与折流型式-3
螺旋折流板是将传统的垂直弓形板换成螺旋状 或近似于螺旋状的折流板，折流板与换热器壳体的 横断面有一个倾斜角度，从而使流体在壳程沿螺旋 通道流动
将壳程流体由横掠管束改为纵掠管束就能 完全消除流动死区并防止管子产生诱导振动。 但众所周知流体横掠管束的换热高于纵掠管 束。因此为了实现流体纵掠管束并使换热得 以强化，就出现了各种整圆形隔板。最初出 现的整圆形大孔隔板就是在圆形隔板上钻比 管子大的圆孔，既让管子通过，又有足够的 间隙让流体通过。
2、改变壳程挡板或管间支撑物，以减小或消除壳程 流动和传热的滞留死区，使传热面积得到充分利用。
折流板也有不同的形式，由于折流板形式 不同，壳侧折流的情况也不一样。
折流板与折流型式-1
折流板的作用：
1）作为管子的支撑结构； 2）使壳侧流体提高流速并横掠管束，从 而强化传热。
折流板的缺点：
1）壳侧流动阻力大； 2）存在流动死区和折流板孔隙的漏流， 使实际传热效果低于理论值； 3）引起诱导振动，从而导致管子断裂。
花隔板换热器与折流板换热器综合性能K/Δp比较图
由图可知，在壳侧流体体积流量相同的情况下， 花隔板换热器的综合性能K/Δp 比折流板换热器综合性能K/Δp高10％～30％。
采用其它支撑结构
杆式支撑结构 空心环支撑结构 管子自支撑结构
为了解决传统折流板换热器因流体横掠 管束所引起的诱导振动，出现了杆式支撑结 构，即所谓的折流杆换热器。其主要特点是： 壳程不再设置折流板，而由折流杆组成的折 流圈来代替折流板，它既对管子起支撑作用， 又对流体起扰动作用，藉以达到强化传热的 目的。
为了改进整圆形大孔隔板的不足，出现了带小 孔的整圆形隔板，即在管孔之间开小孔，使传热流 体由小孔通过，这样就不用增大壳体的直径。但带 小孔的整圆形隔板管子和管孔之间的间隙很容易结 垢，引起腐蚀。为了克服这一缺陷，出现了矩形孔、 梅花孔等异形孔的整圆形隔板。
当隔板间距为50mm时，梅花孔板的传热系数 是矩形孔板的1.5~1.6倍
管壳式换热器
典型折流板管壳式换热器有不同的管子 排列方式。 正方形排列
三角形排列
三角形排列
在管壳式换热器中与管内的换热相比，壳程的换热往 往要弱得多，因此强化壳程的换热就显得很重要。
强化壳程的换热的途径有两种：
1、改变管子的外形或在管外加翅片，即通过管子形 状和表面特性的改变来强化传热,如螺旋槽管、横纹管、 外翅片管等；
花隔板的试验研究
换热器壳体尺寸为Φ159mm×5mm， 为标准生产件。换热管尺寸 Φ16mm×0.8mm，材料为铬镍钢，有效 换热长度是1473mm，隔板采用拉杆固定， 共4根拉杆，拉杆外径为12mm。花隔板共 8块，板间距为170mm，花隔板芯体中换 热管采用正方形布置，管间距为20mm。 壳侧进口与第一块隔板间距为175mm。两 块花隔板旋转的角度为90°。
换热器研究进展主要反映在：
（1）将壳程强化传热技术应用于管壳式换热器 （2）在换热器中采用各种异形管和异形翅片管 （3）利用诱导振动强化换热器中的换热过程 （4）将蜂窝陶瓷用于蓄热式换热器中
管壳式换热器
典型两流程固定管板式管壳式换热器
三流程管壳式换热器
四流程管壳式换热器
浮头式管壳式换热器
U形管管壳式换热器
这种整圆形隔板制造方便、因流体纵掠管束流动阻 力小、可适当提高壳侧流速以增强壳侧的换热；管 内外流体亦可布置成全逆流式，以增大传热温差。 此外由于管壁与孔板之间的环形间隙对流体可产生 射流作用，既增强了传热，又使管壁不易结垢。但 采用整圆形大孔隔板不但增大了换热器的直径，而 且由于管子缺乏支撑，管束的抗振能力很差。
减少诱导振动的措施有：
1）降低横掠管束的流速；
2）提高传热元件的固有频率，如增加管壁厚度、减少管 子跨度等。
显然，这两个措施是矛盾的。若要减少管子跨度，就需增 加折流板的数目。而折流板的数目增加，又会使横掠管束 的流速增加。此时为减小流速，就只有增加壳体的直径， 而且流速降低会使换热系数下降。
最有效的防止诱导振动的方法是使流体由横掠管束改为纵 掠管束。但纵掠管束的换热系数又不如横掠管束。这也是 一对矛盾。这也正是新型折流杆管壳式换热产生的背景。
2）管子与折流板孔壁因振动而不断撞击，从而引起管子破 裂；
3）振动使管子与管板连接处受到很大的应力，久而久之就 造成胀接和焊接点因应力而损坏，并造成接头泄漏；
4）管子因振动反复弯折而引起应力疲劳，长时间连续振动 就会导致管子破裂；
5）振动引起应力脉动，会使管材中的微观缺陷扩展，直至 产生裂纹。
诱导振动的减少与防止
花隔板是我们在整圆形隔板的基础上提出的一种新 型壳侧支撑结构。所谓花隔板是在圆形隔板的四个 象限的某一象限或两个象限（最多三个象限）上开 有管孔，作为管束支撑，而未开管孔的象限则是空 的，或钻有很大的孔，作为流体的通道。花隔板交 替布置，相邻两块隔板的空缺部分相差一个相同的 角度，即后一块隔板相对于前一块隔板绕中心轴线 顺时针或逆时针旋转一个角度，此角度可以是30°， 60°或90°等，如此往复。这样的结构就可以使流 体在纵向流动的同时发生偏转以达到强化换热的目 的。这种结构的最大优点是既能强化换热，又简化 了换热器的制造。
漏流损失
主流 壳间的间隙漏流 折流板孔隙漏流
ຫໍສະໝຸດ Baidu
流体横掠管束引起诱导振动的原因：
1）漩涡脱落； 2）紊流抖振； 3）流体弹性激振。
紊流能谱及其响应：
流体横掠速度与振动振幅：
诱导振动对换热器的损伤主要表现在：
1）管子互相碰撞，当管子振动振幅大到足以使相邻管子经 常撞击时，就会使管壁磨损变薄，直至破坏；
换热器是实现热交换过程的设备。它广 泛应用于电力、化工、炼油、制冷、低温、 冶金、建材、环保、航天、航空、食品、 轻工、医药等部门，是量大面广的通用设 备。以石油化工为例，各种换热器重量占 工艺设备总重的40%。在年产30万吨的乙 烯装置中，各种换热器达300-500台。
改进板式支撑结构
双弓形及多弓形折流板 螺旋折流板 整圆形隔板 花隔板
折流板与折流型式-2
折流板与折流型式-3
螺旋折流板是将传统的垂直弓形板换成螺旋状 或近似于螺旋状的折流板，折流板与换热器壳体的 横断面有一个倾斜角度，从而使流体在壳程沿螺旋 通道流动
将壳程流体由横掠管束改为纵掠管束就能 完全消除流动死区并防止管子产生诱导振动。 但众所周知流体横掠管束的换热高于纵掠管 束。因此为了实现流体纵掠管束并使换热得 以强化，就出现了各种整圆形隔板。最初出 现的整圆形大孔隔板就是在圆形隔板上钻比 管子大的圆孔，既让管子通过，又有足够的 间隙让流体通过。
2、改变壳程挡板或管间支撑物，以减小或消除壳程 流动和传热的滞留死区，使传热面积得到充分利用。
折流板也有不同的形式，由于折流板形式 不同，壳侧折流的情况也不一样。
折流板与折流型式-1
折流板的作用：
1）作为管子的支撑结构； 2）使壳侧流体提高流速并横掠管束，从 而强化传热。
折流板的缺点：
1）壳侧流动阻力大； 2）存在流动死区和折流板孔隙的漏流， 使实际传热效果低于理论值； 3）引起诱导振动，从而导致管子断裂。
花隔板换热器与折流板换热器综合性能K/Δp比较图
由图可知，在壳侧流体体积流量相同的情况下， 花隔板换热器的综合性能K/Δp 比折流板换热器综合性能K/Δp高10％～30％。
采用其它支撑结构
杆式支撑结构 空心环支撑结构 管子自支撑结构
为了解决传统折流板换热器因流体横掠 管束所引起的诱导振动，出现了杆式支撑结 构，即所谓的折流杆换热器。其主要特点是： 壳程不再设置折流板，而由折流杆组成的折 流圈来代替折流板，它既对管子起支撑作用， 又对流体起扰动作用，藉以达到强化传热的 目的。
为了改进整圆形大孔隔板的不足，出现了带小 孔的整圆形隔板，即在管孔之间开小孔，使传热流 体由小孔通过，这样就不用增大壳体的直径。但带 小孔的整圆形隔板管子和管孔之间的间隙很容易结 垢，引起腐蚀。为了克服这一缺陷，出现了矩形孔、 梅花孔等异形孔的整圆形隔板。
当隔板间距为50mm时，梅花孔板的传热系数 是矩形孔板的1.5~1.6倍
管壳式换热器
典型折流板管壳式换热器有不同的管子 排列方式。 正方形排列
三角形排列
三角形排列
在管壳式换热器中与管内的换热相比，壳程的换热往 往要弱得多，因此强化壳程的换热就显得很重要。
强化壳程的换热的途径有两种：
1、改变管子的外形或在管外加翅片，即通过管子形 状和表面特性的改变来强化传热,如螺旋槽管、横纹管、 外翅片管等；
花隔板的试验研究
换热器壳体尺寸为Φ159mm×5mm， 为标准生产件。换热管尺寸 Φ16mm×0.8mm，材料为铬镍钢，有效 换热长度是1473mm，隔板采用拉杆固定， 共4根拉杆，拉杆外径为12mm。花隔板共 8块，板间距为170mm，花隔板芯体中换 热管采用正方形布置，管间距为20mm。 壳侧进口与第一块隔板间距为175mm。两 块花隔板旋转的角度为90°。
换热器研究进展主要反映在：
（1）将壳程强化传热技术应用于管壳式换热器 （2）在换热器中采用各种异形管和异形翅片管 （3）利用诱导振动强化换热器中的换热过程 （4）将蜂窝陶瓷用于蓄热式换热器中
管壳式换热器
典型两流程固定管板式管壳式换热器
三流程管壳式换热器
四流程管壳式换热器
浮头式管壳式换热器
U形管管壳式换热器
这种整圆形隔板制造方便、因流体纵掠管束流动阻 力小、可适当提高壳侧流速以增强壳侧的换热；管 内外流体亦可布置成全逆流式，以增大传热温差。 此外由于管壁与孔板之间的环形间隙对流体可产生 射流作用，既增强了传热，又使管壁不易结垢。但 采用整圆形大孔隔板不但增大了换热器的直径，而 且由于管子缺乏支撑，管束的抗振能力很差。
减少诱导振动的措施有：
1）降低横掠管束的流速；
2）提高传热元件的固有频率，如增加管壁厚度、减少管 子跨度等。
显然，这两个措施是矛盾的。若要减少管子跨度，就需增 加折流板的数目。而折流板的数目增加，又会使横掠管束 的流速增加。此时为减小流速，就只有增加壳体的直径， 而且流速降低会使换热系数下降。
最有效的防止诱导振动的方法是使流体由横掠管束改为纵 掠管束。但纵掠管束的换热系数又不如横掠管束。这也是 一对矛盾。这也正是新型折流杆管壳式换热产生的背景。
2）管子与折流板孔壁因振动而不断撞击，从而引起管子破 裂；
3）振动使管子与管板连接处受到很大的应力，久而久之就 造成胀接和焊接点因应力而损坏，并造成接头泄漏；
4）管子因振动反复弯折而引起应力疲劳，长时间连续振动 就会导致管子破裂；
5）振动引起应力脉动，会使管材中的微观缺陷扩展，直至 产生裂纹。
诱导振动的减少与防止
花隔板是我们在整圆形隔板的基础上提出的一种新 型壳侧支撑结构。所谓花隔板是在圆形隔板的四个 象限的某一象限或两个象限（最多三个象限）上开 有管孔，作为管束支撑，而未开管孔的象限则是空 的，或钻有很大的孔，作为流体的通道。花隔板交 替布置，相邻两块隔板的空缺部分相差一个相同的 角度，即后一块隔板相对于前一块隔板绕中心轴线 顺时针或逆时针旋转一个角度，此角度可以是30°， 60°或90°等，如此往复。这样的结构就可以使流 体在纵向流动的同时发生偏转以达到强化换热的目 的。这种结构的最大优点是既能强化换热，又简化 了换热器的制造。
漏流损失
主流 壳间的间隙漏流 折流板孔隙漏流
ຫໍສະໝຸດ Baidu
流体横掠管束引起诱导振动的原因：
1）漩涡脱落； 2）紊流抖振； 3）流体弹性激振。
紊流能谱及其响应：
流体横掠速度与振动振幅：
诱导振动对换热器的损伤主要表现在：
1）管子互相碰撞，当管子振动振幅大到足以使相邻管子经 常撞击时，就会使管壁磨损变薄，直至破坏；