管式换热器文献综述

管壳式换热器广泛应用于化工、石油、电力、轻工、冶金、原子能、造船、航空、供热等工业部门。

特别是在石油炼制和化学加工装置中，占有极其重要的地位[1]。

由于它结构坚固，且能选用多种材料制造，适应性极强，尤其在高温、高压和大型装置中得到普遍应用。

据统计，在石油化工生产中，换热器的总投资约占总设备的30%~45%[2]。

管壳式换热器因其利用和回收热能的优点，在上世纪70年代的全球化能源危机之后，促使世界各国对强化传热技术进行研究、开发和应用。

迄今为止，国内外对管壳式换热器的强化传热技术的研究取得了丰硕的成果。

1.管壳式换热器强化传热技术进展
一直以来，管壳式换热器的强化传热技术研究都是以实验为主。

随着计算流体力学（CFD）和计算机的飞速发展，数值模拟方法以其成本低、周期短等优点成为换热器研究的一种重要手段。

大量的CFD商业软件的出现，使得传热和流体问题的数值计算取得了突破性进展。

强化传热主要分为有源强化传热和无源强化传热。

有源强化传热技术因其受到外在能量的制约，因此工程实际中主要采用无源强化传热技术，即通过增加单位体积内的传热面积或者提高传热系数增加传热量。

迄今为止，国内外的管壳式换热器强化传热技术主要从两个方面进行：管程强化传热技术和壳程强化传热技术。

1.1管程强化传热
管壳式换热器管程的强化传热主要为改变换热管的外形和管内加内插件。

其中改变换热管的外形是通过对管子进行各种加工，以期在管子的壁面上形成有规律或无规律的凸起物，这些凸起物既可以对流体进行扰动，又能断续地阻断边界层的发展。

这些强化传热管主要有波纹管、螺旋槽纹管、螺旋扭曲扁管等。

管内内插件作为一种扰流子，以固定的形状安装在换热管内，与管壁相对固定或者随流体振动，对流体产生扰动或破坏管壁表面的液体边界层以达到强化传热的目的，而且具有防垢和除垢的效果。

1.1.1波纹管
波纹换热管是由沈阳广厦热力设备开发制造公司在上世纪90年代研制并成功投入使用，它由波纹管和两端的接头组成。

其应用了强化传热理论及换热管独特的波峰与波谷的设计，使换热器的性能有了重大突破。

在水——水换热器中，
传热系数可达2000~3600W·（m2·℃），在气——水换热器中，传热系数可达3000~4500W·（m2·℃），其他介质的传热系数可提高2~4倍，并且能使换热面积减少40%以上。

[3]从流体力学的角度来分析波纹管的传热机理，在波峰处流速减小，静压增大，在波谷处流速增大，静压减小。

流体在反复变化的轴向压力梯度下进行流动，产生了强烈的漩涡冲刷边界层，使边界层变薄。

由于波节的存在，增加了对管内流体的扰动，增强了换热效果。

在低雷诺数下，波纹管的综合换热性能（换热性能/流阻性能）明显优于光管。

在高雷诺数下，波纹管与光管的综合换热性能相当。

1.1.2螺旋槽纹管
螺旋槽纹管是由美国拔柏葛公司在1956年研制成功的，这种高效传热管是在研究电站锅炉管组烧坏现象的基础上产生和发展起来的，用光滑管在车床上轧制而成的，分为单头和多头。

从流体力学的角度来分析螺旋槽纹管的传热机理，流体在管内流动时受螺旋槽纹的影响，使靠近壁面的流体沿槽流动，减薄了壁面边界层的厚度，另一部分流体沿壁面轴向流动，在通过螺旋槽纹凸起的部分产生轴向的涡流，使边界层进行分层并且对边界层中的流体进行扰动，加快了由壁面至流体的热量传递。

国内外的很多学者对螺旋槽纹管的传热和流动性能进行了大量的理论与应用研究。

研究表明，在湍流工况下，随着流速的增加，换热性能越好。

[4]螺旋槽纹管还有预防和减轻污垢堆积的优点。

1.1.3螺旋扭曲扁管
螺旋扭曲扁管最早由前苏联学者DZYUBENKO[5]等于1980年初首次提出，瑞典的Alards公司和美国的BrownFintube公司对螺旋扭曲扁管进行了改进，使其在工程实际中得到应用。

螺旋扭曲扁管是将圆管压扁后进行扭曲成螺旋状制成的，为了管子与管板的连接，两端仍然保持圆形。

从流体力学的角度来分析螺旋扭曲扁管的传热机理，管内螺旋流道使流体在流动时产生纵向旋转和二次旋流，这种螺旋扰流作用增强了对流体的扰动程度，减薄了边界层，增强了流体的混合，这种混合使得流体在管壁附近保持较高的温度梯度，增大了努塞尔特数，提高了传热系数。

螺旋扭曲扁管换热器以螺旋扭曲扁管替代光管，依靠管子的外缘螺旋线的点接触进行自支撑，从而省去了折流板，壳程内无流动死区，不仅降低了流动阻力，而且提高了抗结垢性能，能够很好地克服诱导振动，提高了可靠性。

1.2壳程强化传热
壳程强化传热包括管型和管束支撑结构的研究。

改变换热管外表面的形状主要是通过在其表面加工沟槽或翅片来实现的。

管束支撑结构是壳程的最关键的结构，直接影响着换热器壳程的各种性能。

管壳式换热器管束支撑结构的发展表现为折流板形式的改变与发展。

其特点是通过开发或者改变管束支撑结构，尽可能地将原本的横向流动变为纵向流动，以期减少或消除传热死区，降低壳程流阻，提高流速，减少结垢，增强管束的抗振能力，提高换热器的综合换热性能。

目前出现的管束支撑结构主要有折流板支撑结构、折流杆支撑结构和其他新型的支撑结构。

1.2.1折流板支撑结构
国内外很多学者对传统换热器的管束支撑结构进行了改造，以期消除传热死区和管束振动。

FARHAD[6]等对陶文铨所提出的连续交错搭接式螺旋折流板换热器采用增强壁面函数法进行了数值模拟研究，得出螺旋折流片在不同角度安装时的壳程压降和对流换热系数。

雷永刚[7]等对七种不同螺旋折流片倾斜角度的连续交错搭接式螺旋折流板换热器进行了数值模拟研究，研究表明：螺旋折流片的倾斜角度为45°时换热效果最好。

陈亚平[8]等提出一种周向重叠三分螺旋折流板换热器，并对其壳程流体进行了流动和传热性能研究，分析了这种换热器高效强化传热的主要机理。

1.2.2折流杆支撑结构
国内外大量的学者对折流杆换热器进行了研究。

Phillips石油公司的GENTRY等对折流杆换热器进行了实验研究，推导出了壳程压降和努塞尔特数的准数关联式。

董其伍[9]等在对折流杆换热器壳程结构进行简化的基础上，建立了周期性单元流道模型，通过数值模拟得出了壳程流道内流体流动和传热的细观特征和折流栅间距的最佳取值范围，为折流杆换热器的工业应用推广提供了参考依据。

古新[10]等建立了折流杆换热器壳程周期性全截面计算模型，对壳程近壁局部区域的流场和温度进行了数值模拟研究，总结出了换热管壁面的对流换热系数与换热管距壳程轴线距离之间的关系，为折流杆换热器的关键局部区域传热效果的改善提供了直观的依据。

王珂[11]等利用周期性模型对三种壳程支撑结构的换热器壳程内流体进行了研究，研究表明：壳程内流体的横向流速度的大小直接影响
着换热器的壳程压降和对流换热系数。

王英双[12]研究了不同折流杆截面形状对折流杆换热器流动和换热的影响，对揭示折流杆换热器的强化传热机理和实验研究有一定的指导作用。

1.2.3其他新型支撑结构
换热器从产生发展至今，各国学者对其管束支撑结构进行了开发和改进，他们都是将壳程中流体的横向流动变为沿换热管束轴向的纵向流动，以消除壳程内的传热死区，提高换热器的综合换热性能。

刘敏珊[13]等提出了换热器壳程流体“斜向流”的新概念，开发出了一种斜向流帘式换热器，对其壳程流体的流动和传热特性进行了数值模拟，证明了这种换热器具有强化传热和降低流阻的性能。

古新[14-15]等在刘敏珊的基础上对帘式折流片换热器做了相关的结构优化，研制了一种带导流筒装置的帘式折流片换热器，这种换热器不仅可以有效降低壳程压降，还提高了换热器壳程进口流场的流量均匀性。

华南理工大学与广东石油化工专用设备公司合作制造的空心环管壳式换热器是采用空心环管间支撑物和高效换热管组成的新型高效换热器，其特点是壳程流阻低，传热性能好，特别适合于大流量、低压将的气-气或气-液换热场合。

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结论与展望
随着各类工业市场需求的持续增长，换热器的技术会不断革新，结构和性能也会多样化，随着国际和国家对环保理念的更加重视，换热器的节能环保特性也将成为主流，我国技术也意味着有更多的可能与创新潜力。

总之，我国的换热器产业还处于快速发展时期，其未来的发展趋势仍是极为可观的。

管壳式换热器的应用领域非常广泛，对其进行强化传热方面的研究具有显著的经济效益和社会效益，不仅符合国家对企业节能减排的要求，而且能够降低企业的生产成本。

无论换热器的管程还是壳程强化传热技术，都会朝着结构简单、传热效率高的方向发展。

因此本研究通过引入先进的设计方法和技术——计算流体力学（CFD）技术，对换热器内部流场进行仿真分析，优化流动结构，提高传热效率，为换热器的设计和计算提供新思路和新方法。

对换热器强化传热技术的发展和换热器的结构优化有一定的借鉴意义。