关于管壳式换热器传热性能的调研

1、 HYPERLINK xxxx/ 对管壳式换热器传热性能的调查研究摘要管壳式换热器是工业生产中广泛使用的一种换能设备，那么如何强化换热器的传热效果对于节能有着重要的科学意义。本文着重介绍了管壳式换热器壳层强化传热途径以及增强换热性能的方法。关键词：传热；强化传热；节能；换热器ABSTRACTShell and tube heat exchanger is abroad used as a kind of energy exchange facility in industry,So how to enhance the heat transfer effect of heat exchange

2、r has amost important scientific significance for energy saving. This article mainly introduces ways of enhancing the shell heat transfer of shell and tube heat exchanger and themethod of enhancing theperformance of heat transfer.Keywords: heat transfer;enhancingheat transfer;energy saving;heat exch

3、anger一、引言当今世界能源问题日益突出，节能己经成为解决当代能源问题的一个公认的重要途径。上世纪70 年代的世界性的经济危机实际上就是能源危机，极大地影响了西方大力依靠石油等能源的发达国家的政治、经济等社会活动。我国的能源资源虽然比较丰富，但也面临着人均能源资源量低、能源资源分布不均匀、能源利用效率低、能源工业装备落后以及环境污染严重等问题。例如，我国的能源终端利用效率仅为33，比发达国家低10个百分点；单位产品能耗比发达国家高3080，加权平均高约40；单位国民生产总值能耗是日本的6 倍，美国的3 倍，韩国的4.5 倍1。我国能源利用率有待提高，节能潜力巨大。换热器是化工、石油、能源、动

4、力、冶金等工业部门中应用相当广泛的能量交换设备，不仅保证工程设备的正常运转，而且在动力消耗和投资方面在整个工程中占有重要份额。据统计表明，在化学工业中，所用换热器的投资大约占设备总投资的30左右；在炼油厂中，换热器占全部工艺设备的40左右；在热电厂中，换热器的投资约占整个电厂总投资的70左右；海水淡化工艺装置则几乎全部由换热器组成2。提高换热器的传热效率，对于提高能量利用率、节能降耗是一种很有效的途径。由于换热器被广泛应用于各行各业，其分类方法也有多种。如：按用途可分为加热器、冷却器、蒸发器；按材质可分为金属的、塑料的、陶瓷的等种类；按照温度状况来分，则可分为温度工况不随时间而变的稳态换热器，

5、以及温度工况随时间而变的非稳态换热器；按冷、热流体流动方向可分为顺流式、逆流式和混流式；按工作原理可分为间壁式、混合式和蓄热式三种，这种分类方法是比较常见的一种方法。管壳式换热器属于间壁式换热器的一种。在各类换热器中，管壳式换热器具有制造方便、成本低廉、换热效率高等优势，而且对其研究也有了很大的发展，所以目前仍是各种能耗工业中应用最普遍的一种。如石油、化工行业中管壳式换热器在各类换热器中所占比例高达70。因此，研究管壳式换热器的强化传热问题对于提高换热器的传热效率和节能降耗具有重要意义。二、管壳式换热器研究发展状况近几十年来，国内外对管壳式换热器管程、壳程的传热和流动阻力性能都作了大量的研究工

6、作。强化传热的措施可分为两种：主动强化（有源强化）和被动强化（无源强化）。主动强化需要利用外功，被动强化则不需要外功。常见的主动强化方法有：机械方法、表面振动、流体振动、电磁场、引射、虹吸。主动强化技术至今尚未发现其商业价值，因强化设备投资与操作费用大，机理复杂，并伴随有振动和噪声3。目前换热器的强化传热技术，一般都属于被动强化。管壳式换热器的强化传热研究可分为两大发展方向：管程强化和壳程强化。近半个世纪以来，国内外对管程强化传热的研究取得了较大的成果，目前已有的管程强化换热技术不下百余种，相比之下，壳程强化传热技术的研究还不够深入，直到20 世纪70 年代，壳程强化传热技术才逐步开始受到重视

7、，并且在几十年的研究中取得了不错的进展。管程强化的目的是提高换热管一侧的传热效率，主要方法有：如采用新型结构的换热管、采用管内插入物等。就换热管而言，近年来出现了螺旋槽纹管、横槽纹管、内翅片管、单面纵槽管、低螺纹翅片管、薄壁波纹管、表面多孔管等多种形式的强化换热管；管内插入物主要包括纽带、错开纽带、静态混合器、螺旋片、径向混合器、金属螺旋线圈等结构。无论是新型的换热管还是管内插入物，其强化换热的机理都是破坏层流边界层，增加流体的湍流度，以提高管内流体的传热系数，从而提高换热器的整体传热效率。目前，壳程强化传热的途径主要有两种，一是改变管子外形或在管外加翅片，即3通过管子形状或表面性状的改造来强

8、化传热，以提高换热器的效率，如螺纹管、表面多孔管等；另一种方法是改变壳程挡板或管束支撑物的形式，以减少或消除壳程流动与传热的滞留死区，使传热面积得到充分利用。除了较早的单弓形折流板外，近年来主要出现了以下几种管束支撑物形式。2.1 板式支撑结构如多弓形折流板、整圆形隔板、异形孔板、网状板等。这些新型板式支撑结构的共同特点是尽可能地变单弓形折流板形成的横向流动为平行于管子的纵向流动，消除壳程流体流动和传热死区，降低壳程阻力，使壳程传热综合性能/p 得到提高4。2.1.1双弓形折流板和多弓形折流板传统的折流板管壳式换热器都采用单弓形折流板支撑，壳程流体容易产生流动死区，双弓形折流板换热器在壳程将流

9、体分成两股平行流，横向流动的长度（即横流经过的列管数）大概是具有相同缺口的单弓形折流板的一半。由于压降与速度的平方、流经长度或横流经过的列管数成比例，因此，采用相同折流板间距和相同缺口的双弓形折流板换热器，其压降要比单弓形折流板减小很多。虽然同时传热系数也会有所降低，但是由于传热系数与速度的0.60.8 次方成正比，传热系数降低的程度要比压降降低的程度小得多。在折流板间距和折流板缺口相同的情况下，双弓形折流板的压降只有单弓形折流板3050，而传热系数则是单弓形折流板的6080，所以，双弓形折流板的综合换热性能优于单弓形折流板。三弓形折流板类似于双弓形折流板，在换热器壳程将流体分成三股或多股平行

10、流5。2.1.2螺旋折流板螺旋折流板换热器的提出基于这样一种思想：通过改变壳程折流板的布置,使壳程流体呈连续的螺旋状流动。其优点有：提高壳程的传热系数、相同质量流量下具有较小的压差、减少旁路漏流、减少壳程结垢、抑制流体诱导振动6。理想的折流板布置应该为连续的螺旋曲面。但是，螺旋曲面加工困难，而且换热管与折流板的装配也较难实现。考虑到加工上的方便，采用一系列的扇形平面板（称之为螺旋折流板）替代曲面相间连接，在壳程形成近似螺旋面，使壳程流体产生近似连续螺旋状流动。一般来说，出于加工方面的考虑，一个螺距取24 块折流板，相邻折流板之间有连续搭接和交错搭接两种方式，按流道又可分为单螺旋和双螺旋两种结构

11、。螺旋折流板换热器强化传热是因为：一方面流体在壳程的螺旋流动更加接近于柱塞状流动，提高了传热温差；另一方面，螺旋流动使壳程流体存在半径方向的速度梯度并破坏了边界层，从而强化了传热7。2.1.3整圆形隔板为了尽可能地改变弓形折流板换热器中的横向流动为平行于管束的纵向流动，消除滞留死区，提高流体在壳程的流速，出现了整圆形隔板。最初的整圆形隔板上不开缺口，板上钻有大圆孔，既让管子穿过，又有足够的间隙让流体通过。管内外流体总体呈纵向流动，传热温差推动力大，并且由于孔板与管壁构成的圆环形间隙通道对流体可产生射流作用，使流体离开孔口很快形成湍流，射流同时对周围的流体产生卷吸作用，可使流体在低Re 数下达到

12、局部湍流。整圆形大孔隔板增加了换热器的直径，而且对管子缺乏支撑，管束的抗振能力很差；为改进其不足，出现了带小孔的整圆形隔板，其在管孔之间开有小孔，传热介质由小孔通过，但是隔板和管孔之间的间隙很容易结垢，引起腐蚀；为了弥补这一缺陷，又出现了矩形孔、梅花孔等异形孔整圆形隔板，这种异形孔整圆形隔板既能有效支撑管束，又能让传热介质通过隔板，当介质流过管孔时，能产生射流，对管子有自清洁作用，从而避免了管子结垢和腐蚀，但其缺点在于加工制造困难；继而又出现了网状整圆形隔板，它的特点是以相邻的4 个管孔为一组，将管孔间的连接处铣通，壳程流体从铣口处流过折流板，使流体成全面积纵向流动8。2.2 杆式支撑结构折流

13、杆换热器是1970 年由美国菲利浦石油公司首创的。其初衷是为了改善折流板换热器中的流体诱导振动，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，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。折流杆换热器问世以后，其优点当时并未被工业界所认识，应用面很小。但是长期以来，美国菲利浦石油公司一直致力于折流杆换热器的结构和机理研究，开发了相应的传热和流动设计程序，申请并获得了多项美国专利，并大力推广这种新型的换热装置。迄今已为世界各国提供了1000 多台折流杆换热器。换热器的直径从300mm 到4000mm，管束最长达25m，管型有光管和螺纹管，应用范围包括气气

14、换热器、冷却器、重沸器、蒸汽发生器和废热锅炉等9。折流杆换热器的主要结构是由一系列焊有折流杆的折流圈组成的折流笼。折流圈由折流杆和折流环组成，其内径等于管束外径，其外径等于壳体内径减去设计标准所规定的间隙，折流杆均匀地焊在折流环上，每个折流圈相隔一定距离按一定排列方式焊接在拉杆上形成折流笼。折流杆可以是圆形、方形或是长方形，折流环可以用圆杆、方杆和方条制成。通常相邻两个折流圈的折流杆的方向是相互垂直的，这样就能保证4 个折流圈分别从四个方向将换热管固定。由于折流杆换热器壳程流体为纵向流动，不仅减小了流体的诱导振动，而且能减小壳程压降，在同样的壳程压降下，其传热系数比折流板换热器高出许多。三、增

15、强传热的基本途径31扩展传热面积扩展传热面积来增强传热，是合理的提高设备单位体积的传热面积，而不是单纯的扩大设备体积增加传热面积或增加设备台数，而应是从研究如何改进传热面结构出发加大传热面积，已达到换热设备高效紧凑的目的。32加大传热温差改变热流体或冷流体的温度就能改变传热温差，另一方面，换热器中两种流体之问的平均温差还与流体流动方式有关，当两种流体以同方向流动(顺流)时，其平均温差比起二者以相对方向流动时(逆流)时的平均温差要小，因此换热器要尽可能采用逆流的流动方式。增加传热温差有时要受到工艺或设备条件的限制。33提高传热系数设法提高传热系数是增强传热的积极措施。因为传热过程总热阻是各项热阻

16、的叠加。因此要改变传热系数就必须分析传热过程的每一项热阻。在换热设备中，一般都是金属薄壁两侧奇勺冷热流体进行对流换热，金属薄壁导热热阻常可略去不计。结语强化传热是指能显著改善传热性能的节能新技术，其主要内容是采用强化传热元件，改进换热器结构，提高传热效率，从而使设备投资和运行费用最低，以达到生产的最优化。提高换热器的换热性能，在设计和制造方面可以节省投资并减小设备尺寸，在生产运行中可以达到节能降耗和设备安全稳定运转的目标，因此，传热对于节能降耗具有非常重要的科学意义。参考文献1 黄素逸能源科学导论北京：中国电力出版社，19992 杨世铭，陶文铨传热学（第三版）北京：高等教育出版社，19983

17、Lutcha J，Nemcansky JPerformance improvement of tubular heat exchangers byhelical bafflesTrans IChME，1990，68（A）：2632704 赵晓曦多种新型管壳式换热器的壳程传热强化问题研究博士学位论文广州：华南理工大学，20035 欧阳惕，黄德斌管壳式换热器壳程强化传热技术研究山西能源与节能，2005，1：27296 Wang S LHydrodynamic studies on heat exchangers with helical bafflesHeatTransfer Engineering，2002，23（3）：43498 王秋旺螺旋折流板管壳式换热器壳程传热强化研究进展西安交通大学学报，2004，38：8818869 过增元，黄素逸等场协同原理与强化传热新技术北京：中国电力出版社，2004263280 DATE M.d.yyyy 9.15.2022 DATE HH:mm DATE M.d.yyyy