管殼式換熱器的研究進展

摘 要：文章基于管程、殼程兩方面闡述了傳熱強化技術和傳熱強化結構。由此從管程傳熱強化方面介紹了目前使用的一些新型強化管。基于目前國內外所使用的官橋式換熱器的發展來論述管殼式換熱器的研究進展。

關鍵詞：管殼式換熱器；研究進展；傳熱性能

中圖分類號：TQ051.5 文獻標識碼：A 文章編號：1006-8937（2013）11-0093-02

作為石油化工等能源行業中廣泛應用的單元設備，換熱器（heat exchanger）因其在換熱效率、流體力學性能等方面有著突出的表現而得到越來越多的關注和研究。據相關研究和統計指出，目前石油化工行業的換熱器投資占整個設備總投資的35%左右，我國換熱器的產業規模已達600億元。近些來，在整個換熱器的市場中，各種板式換熱器的競爭力逐步提升，然而管殼式換熱器依然以65%的市場占有率成為換熱器市場的絕對主力。根據最新的研究成果表明，基于高效換熱器和新型換熱器原件為主的列管式換熱器成為目前研究的重點，這可以從換熱器的傳熱管件和殼程的折流結構獲得顯著的變化看出。本文主要介紹了管殼式換熱器管程結構發展和殼程強化結構的發展。

1 管殼式換熱器管程結構發展

1.1 改變傳熱面形狀

1.1.1 螺旋槽紋管換熱器

螺旋槽紋管作為一種高效而非常優質的異行強化傳熱管件，其主要是光滑管置于車床之上采取軋制而成。一般來說，螺旋槽紋管主要有單頭和多頭的兩種。在實際的應用中，螺旋槽紋管主要以強化管內的氣體和液體的傳熱為主要目的。螺旋槽紋管的強化機理主要是部分流體可以受到螺旋槽紋的引導作用而實現順著螺旋槽紋管的槽進行旋轉流動，另外一部分流體則順著螺旋槽紋管的槽壁基于螺旋槽紋凸起的作用而產生一種漩渦，由此就可以將邊界層和分層中的流體擾動而實現熱量的傳遞。據相關研究指出發現多頭螺旋橫紋管的綜合性能相較單頭螺旋橫紋管的綜合性能而言是較差的。分析其原因，有可能是多頭螺旋橫紋管的熱傳面積較大，從而導致流體傳熱的時候會散發更多的熱量，圖1為螺旋槽紋管。

1.1.2 波紋管換熱器

波紋管換熱管主要是在20世紀90年代由我國東北某熱力設備公司所研制而成，其主要組成部分包括波紋管和接頭。波紋管換熱管由于其管壁非常薄、波峰波谷高度差較大、換熱管伸縮幅度自由以及可以有效改變流體的方向和速度等優點而在石油化工行業中獲得較為廣泛的應用。據相關研究指出，波紋管換熱管的換熱面積減少最大，可以高達45%，進而可以有效的進行換熱。然而，波紋管換熱管由于管壁的薄和管束之間的強度與剛度之間存在較大的差別而難以分析管束和管板之間的應力，因此，制定有效的強度設計標準對于解決這一問題有著重要的作用，圖2為波紋管換熱管的結構圖。

1.1.3 螺旋扁管換熱器

螺旋扁管是由瑞典某公司生產的高效換熱元件，該元件的主要結構特點是由于換熱段的截面類似于橢圓而在實際的應用中可以以換熱器管程和殼程之間的流速來確定長、短軸之間的比例。與其它的換熱器不同，螺旋扁管的流體的方向主要是呈縱向流動的，由此可以增加流體脫離管壁之后的紊流，從而可以有效的進行換熱。

1.1.4 不連續雙斜向內肋管換熱器

不連續雙斜內肋換熱管主要是以軋制等方法而使換熱管內部的壁面上可以形成許多與軸線成兩個方向的雙斜內肋，這種雙斜內肋可以有效的強化對流的換熱，此外其還可以有效的抗結垢能力。據相關研究指出，當Re=500～

2 300時，不連續雙斜向內肋管的換熱與一般的管式換熱器相比可以增強250%～650%，與此隨之而來的是阻力增加120%～300%；在Re=2 300-5×104的情況下，不連續雙斜向內肋管換熱與一般的管式換熱器相比可以可增強110%～240%，阻力增加120%～240%。

1.2 管內加內插物

管內界內插物主要是可以有效強化管內單相流體的傳熱，從而可以以改變流道為手段來達到強化加熱的目的。就目前的實際使用情況來說，管內插入物的種類繁多，無統一的標準。一般而言，主要包括靜態混合器、錯開紐帶、紐帶、螺旋線、螺旋片等。以管內插入紐帶為例，對流傳熱系數在層流傳熱的情況下可以有效增加3倍左右，特殊情況下可以增加10倍左右。紊流傳熱系數可以增加30%左右。根據對目前實際的了解得知，在高粘度流體的換熱主要采用的就是螺旋線圈作為插入物。在液體工況和氣體工況中，使用繞絲花插入物的傳熱效果特別好，且其抗垢性能大大增強。

2 殼程強化結構的發展

2.1 板式支撐結構的發展

在以往的管殼式換熱器中，由于技術的落后等原因而致使其多數使用一種弓形隔板作為，然后弓形隔板的阻力大、死角多、傳熱面積小而在實際運用中有著較大的缺陷。而后隨著散熱器技術的快速發展，折流板獲得了大大的改進。目前比較先進的折流板主要包括各種網狀板、多弓形折流板、異形孔折流板和整圓形折流板。這些后來改進和研發的折流板主要是將流體的流動方向給改變了，從而可以大大的增加散熱的面積，提高管束的抗振性能。

2.2 桿式支撐結構的發展

桿式支撐結構的發展主要是有美國某石油公司于20世紀70年代奠基而成。目前，作為桿式支撐結構的典型代表是折流桿換熱器。該換熱器由2個橫柵和縱柵組成的若干組折流柵組成，在設計上，其突出的特點是折流圈上焊接有若干的折流桿，而折流桿上又有若干個折流柵。在實際的使用總，該折流桿換熱器不僅可以有效的實現傳熱的目的，而且可以降低殼程的壓降。應該說，目前該種換熱器是整個管殼式散熱器中研究的重點。世界各國都投入了不少的精力、財力、人力、物力進行研究。例如，由我國某大學和某石油化工廠研究的折流桿螺旋槽管再沸器在無相變和冷凝傳熱的條件下可以比普通換熱器的傳熱系數提高1.5倍左右，并且其抗振能力非常的好。

2.3 空心環管殼式換熱器

空心環支承是由我國某大學研制成功的，該新型換熱器主要是將較小的鋼管截成一定大小、長度的鋼管之后，置于換熱管中間，從而可以達到一種線性接觸的目的。在實際的使用中，空心環管殼式換熱器首先是在制造材料上，相對于折流板式的換熱器則可以有效的減少鋼材50%左右，減少壓降35%左右。圖3為空心環支承結構圖。

2.4 自支承結構

管子自支承結構的特點是基于管子變形突出的部位為前提而達到強化傳熱的目的。目前，關于自支承結構主要是有螺旋扁管式、刺孔膜片式、變截面管式、新型的管束自支承結構等四種形式。以新型的管束自支承結構為例，我們可以發現該結構主要是將釘頭管和變截面混合管束支承結合在一起而形成的。每個管束都是有6個管子結合而成，管子之間形成非常穩固的形狀，該管束使用釘頭達到支承的目的。從而有效的達到保證管子定位的目的。

3 結 語

綜上所述，管殼式換熱器的發展脈絡就總體上來說主要經過了支承形式的發展、板式支承、折流桿式支承、空心環支承、管子的自支承等傳熱性能依次加強和壓降不斷減少的一個發展過程。由此，我們可以看出，隨著強化傳熱理論的不斷發展和支承形式、技術之間的強勢發展，換熱器的傳熱綜合性能獲得了突飛猛進的發展。目前，管殼式換熱器主要的發展方向就是流體的流動方式逐步的從橫向流改變為縱向流。此外，在改變支承結構的基礎上，在低雷諾數的條件下，盡可能的提高換熱器的性能必將成為管殼式換熱器研究的方向。

參考文獻：

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