管殼式換熱器管束結構優化發展概述

郝國永, 張瑩瑩，高 磊，于宵航，吳亮

（1. 遼寧石油化工大學，遼寧 撫順 113001； 2. 中國有色（沈陽）冶金機械有限公司，遼寧 沈陽 110141）

管殼式換熱器管束結構優化發展概述

郝國永1, 張瑩瑩1，高 磊1，于宵航2，吳亮1

（1. 遼寧石油化工大學，遼寧 撫順 113001； 2. 中國有色（沈陽）冶金機械有限公司，遼寧 沈陽 110141）

總結了近年來國內外新型管殼式換熱器的管束結構發展進展，從管程、殼程兩個方面介紹了管殼式換熱器管束結構改進及強化傳熱機理，并且介紹了幾種新型結構在實際生產中的成功應用及其強化傳熱特點。最后為換熱器管束結構發展提出建設性意見。

管殼式換熱器；管束結構；強化傳熱

實現把一種溫度較高的熱介質的熱量傳遞給另一種溫度較低的冷介質的裝備叫換熱設備[1]。換熱設備是原子能、化工、石油、醫藥等諸多工業部門應用廣泛的工藝設備及節能設備[2]。傳統弓形折流板換熱器固然有其優點，但其（壓降大、存在流動死區、震動大等）缺點在新的節能減排形勢下尤為突出，嚴重限制了自身的生存發展空間，同時也推進了具有新型管束結構的高效、節能換熱設備研發。

1 國內外研究機構及研究現狀[3]

20世紀60年代在傳熱工程方面國際上出現兩大研究集團。即 1962年成立的美國傳熱研究公司（Heat Transfer Research Inc，簡稱HTRI）。其在傳熱機理、測試技術及振動等領域做出巨大貢獻。還有 1968年成立的英國傳熱及流動服務公司（Heat Transfer & Fluid Flow Service，即HTFS）。此公司針對傳熱與流體進行了長期研究。

國內高校及研究機構取得了豐碩成果。華南理工大學開發出縱橫管、螺旋槽管等用于強化傳熱；清華大學在板片傳熱方面進行了深入研究；蘭州石油機械研究所研制出折流桿換熱器、板式換熱器等一系列高效換熱器。這些成果為中國煉油、化工工業的安全快速發展起到決定作用，也促使中國在傳熱技術領域跨入國際先進行列。

2 強化傳熱理論的工程應用

強化傳熱總目標概括有:在限定換熱量基礎上減小換熱器尺寸；提高現有換熱器的性能；減小流動工質的溫差。根據強化傳熱理論[4]，在管兩側只有增大傳熱系數小的一側才能有效提高總傳熱系數。現實中無法確定所有工況，只能增大管外或管內傳熱系數來獲得最高總傳熱系數。新開發的強化傳熱結構已拓展出許多類型，其各自的強化效果及適用的工作環境具有不同的特點。

2.1 換熱設備的強化傳熱途徑[5]

傳熱基本方程為Q=K×A×Δtm，增大傳熱系數K、傳熱面積A和平均溫度差Δtm，均能提高傳熱速率Q。因此，工業設計和生產實踐中大多從這三方面考慮強化措施,可歸結為從換熱器管束的管程和殼程兩個方面進行實施的，且其功能的實現很大程度上由管束管程和殼程的結構形式決定。

2.2 管程強化傳熱的新結構

人們針對管程的研究集中在高效強化傳熱管這一研究課題上[6]。管程強化傳熱技術分為兩方面：一是利用管內插物增強管程湍流度，例如管內插紐帶、繞絲花環等；另一種是增大管外或管內表面積來增大管程湍流度或傳熱面積，如翅片管、波紋管、螺紋管等；

（1）螺紋管換熱器

螺紋管（如圖 1）屬于外擴展表面類型，是用滾模沿徑向滾壓管子，使管子表面出現整體低翅片來擴大傳熱面積。在強化管內液體的沸騰、管內氣體或液體的傳熱方面性能優良[7]，是目前推廣較好、用量最大、技術成熟、使用場合多的強化傳熱管。通過對螺紋管污垢的試驗研究，曾力丁等[8]發現螺紋管的螺旋型溝槽使得內壁面處的流體產生了二次流，可預防或減輕污垢的堆積，降低壁面熱阻，強化傳熱。

圖1 螺紋管示意圖Fig.1 Schematic of threaded pipe

另外螺紋管在冷軋過程中細化了金屬晶粒，破壞了金屬平行纖維的形狀，使得腐蝕介質難以深入晶間形成晶間腐蝕。在南京煉化廠二套常減壓裝置渣油與原油換熱的場合中，二臺同規格的換熱器做了對比。光滑管使用九個月后部分換熱管因腐蝕穿而報廢，而螺紋管使用一年零八個月因傳熱效率下降而拆開檢查，發現進口部位的折流板、防沖板、定距管已被完全腐蝕掉，而螺紋換熱管沒有腐蝕現象。這說明螺紋管這一強化傳熱結構具有良好的抗腐蝕性能。

（2）內插物換熱器

管內插入件是增強管內單相流體傳熱效果的重要方法。管內插物樣式很多，如螺旋片、螺旋線、紐帶(如圖2)等。換熱管內插入紐帶產生渦流，增強中心位置和近壁面流體混合來強化傳熱。煉油生產中高粘度流體的傳熱經常出現問題，由于原料粘度高易結垢，不適用于板式換熱器。徐天華[9]提出一種新型管內插物—交叉鋸齒帶以解決高粘度流體的傳熱問題。

某油制氣裝置采用重油裂解制管道燃氣，由于重油在管內易結垢，后期預熱器換熱效率明顯降低，管外加熱蒸汽常常達不到設計溫度和壓力，影響制氣的質量和產量。利用交叉鋸齒帶管內插物對設備改裝后，運行6個月，換熱器仍運轉正常，操作彈性很大。改造好的單臺預熱器，其重油出口溫度比改造前多臺運行提高很大，壓降增加小，滿足工藝要求。所以管內插入物在強化高粘度流體傳熱方面應用前景廣闊。

圖2 管內插紐帶示意圖Fig.2 Schematic of tube inserted ties

（3）翅片管換熱器

翅片管的基管有圓管、扁平管和滴形管等，翅片的形狀有T形，矩形等，矩形翅片管結構如圖3。橢圓管相對于圓管來說，可以使氣流經過翅片時產生擾動，破壞其邊界層及可用有紊流式翅片提高換熱系數。

圖 3 矩形翅片管示意圖Fig.3 Schematic of rectangular finned tub

國內科研人員提出一種異型釘翅管[10]。其結構特點是在光管外交錯排列釘翅。試驗結果顯示，它的傳熱系數和怒塞爾數對應提高到光管的 100倍和65～105倍。吳峰[11]對內翅片環形管內高粘度流體的強化傳熱進行數值模擬，發現在層流及湍流范圍內油類的綜合傳熱因子保持在 1以上，表面內翅片環形管對高粘度流體在寬Re范圍內有良好傳熱效果。

2.3 殼程強化傳熱新結構

換熱器殼程內流體流動形態對其性能影響較大。換熱器總傳熱系數受殼程流體換熱系數影響很大，故研究殼程換熱機理對提高性能與減少換熱器能耗有重要意義[12]。

折流板作為管殼式換熱器殼程的主要結構，它的形狀及排布形式決定了殼程內流體流動情況，即進行橫向流、縱向流或螺旋流[13-14]，故決定了殼程的傳熱效率及壓降。因此研究機構針對管殼式換熱器殼程強化傳熱的研究主要集中在折流板上。后期開發出了螺旋折流板換熱器、錯開窗折流板換熱器、螺旋葉片折流板換熱器等具有新型折流板結構的產品，且有效地降低了傳統弓形折流板殼程流體流速變化梯度過大而引起的管束振動影響，強化了整個管束對流體的分流作用，降低振動危害[15]。

（1）螺旋葉片換熱器

2011年國家知識產權局授予中國石化工程建設公司和撫順化工機械設備制造有限公司一實用新型專利—— 一種螺旋葉片折流板換熱器[16]。其折流板由若干組螺旋葉片組成，每組的螺旋葉片沿殼體軸線均勻分布，每片螺旋葉片均以某一直角邊為軸向后傾斜某一角度，沿軸線整體上形成一連續的360°螺旋通道。這種新型折流板結構可以使殼程介質流動狀態程螺旋狀（如圖4），流體湍流程度加劇，防止了短路，改善了螺旋折流板換熱器殼程流體短路和由于在徑向產生速度梯度而導致殼體軸線一定范圍內傳熱效率低的問題，消除了流動死區，增加了殼程傳熱效率。

圖4 螺旋葉片折流板換熱器殼程流體流動方向示意圖Fig.4 Schematic of flow direction in shell of helical blade baffle heat exchanger

（2）折流桿換熱器

折流桿換熱器的管束結構特點是在每根換熱管四個方向上，用折流桿加以固定，折流桿焊在折流圈上而形成折流珊，一組有四個折流圈，換熱管的四個方向被緊固。其整體結構像一個大箅子具有良好防震性。其結構形式如圖5所示。

圖5 折流桿換熱器管束支撐結構示意圖Fig.5 Diagram of tubes supporting structure in rod baffle heat exchanger

折流桿換熱器殼程流體流動阻力是傳統弓形板管束阻力的1/7～1/10，但流速是弓形折流板板換熱器的2～3倍。王英雙等[17]對一種新型粗桿-細桿組合式折流桿換熱器進行理論設計和流動傳熱數值模擬研究，發現該新型組合式換熱器與舊式對流換熱系數相當，但流動阻力遠遠小于舊式換熱器，所以綜合性能更優，并且Re越高，優勢越明顯。

20世紀90年代國內換熱器向大型化發展，管束振動這一問題越來越突出。以燕山乙烯一臺直徑Φ2 000的水冷器為例，如按常規設計，殼程介質進口處管束誘導振動指數可達到 7，超過標準規定。而采用折流桿結構設計可很好的控制管束誘導振動指數。并且折流桿換熱器殼程內流體流動狀態為順流，防震效果最好，流體通過桿時形成卡曼渦街[18]，實現湍流而強化傳熱。目前該類換熱器已在國內冷凝、沸騰介質的換熱器中應用，在壓縮機級間冷卻場合也得到普遍應用，效果非常明顯。

（3）螺旋折流板換熱器

螺旋折流板換熱器設計構思是從改變折流板布置方式角度提出的，折流板設置成近似的螺旋面，在每個螺旋周期內殼側流體受離心力和向心力作用形成迪恩渦二次流[19]而大大降低殼側的流動阻力并強化傳熱。利用PRO/E建立螺旋折流板換熱器管束三維模型結構（如圖6）。研究表明，螺旋折流板使流體在殼程側程連續柱狀螺旋流動，消除了傳統折流板換熱器的流動“死區”。渦流與管束換熱界面邊界層相互作用，大幅增加了湍流度，避免了弓形換熱器的“死區”問題，降低了殼程壓降，提高了殼程膜傳熱系數，同時有效緩解了殼程管束振動問題。

圖6 螺旋折流板換熱器管束三維示意圖Fig.6 Dimensional schematic of tubes in helical baffle heat exchanger

謝洪虎等[20]利用數值模擬技術對連續折流板換熱器進行研究，獲得了其折流板螺旋距與螺旋折流板管殼式換熱器強化傳熱效果變化的規律的關系及最佳螺旋節距。得出了優化的螺旋折流板換熱器殼程結構,擴大了螺旋折流板換熱器應用范圍。

3 結束語

多種新型強化傳熱結構逐步成功開發，并且對部分現有設備進行改裝，表現出了令人滿意的性能并逐漸取代大量舊式換熱器。在今后新型強化傳熱結構發展中，應對現有新型結構繼續開發其應用潛力，對于某一類型結構要努力完善為一個產品系列；研究綜合應用管程、殼程新結構的新方法來獲得管束整體更好的性能；新結構的研發不可止步于現有成就，可采用新的研究思路（如使用不同設計軟件進行設計和研究）；增加與國外同行交流，學習并引進國外新型結構的研發技術。這將極大加速國內換熱器的更新換代，縮短與國外的技術差距。

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截面系數查詢與計算差：

4 結束語

通過以上分析和計算結果得到一個啟示，對于傳統設計領域，應該大膽積極地進行新手段、新方法的探索，這將大大提高設計計算的效率和準確性。

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Development of Structure Optimization of Tube Bundle in the Shell and Tube Heat Exchanger

HAO Guo-yong1，ZHANG Ying-ying1，GAO Lei1，YU Xiao-hang2，WU Liang1
（1. Liaoning Shihua University，Liaoning Fushun 113001，China；2. NFC Shenyang Metallurgical Machinery Co.,Ltd.,Liaoning Shenyang 110141，China）

The development progress in new tube bundle structure of shell and tube heat exchanger in recent years at home and abroad was summed up. Structure improvement and strengthening heat transfer mechanism of the shell and tube heat exchanger were introduced from two aspects of tube and shell. And successful application of several new structures in the actual production and its enhanced heat transfer characteristics were introduced. Finally, constructive suggestions about tube bundle structure development of the heat exchanger were put forward.

Shell and tube heat exchanger; Bundle structure; Heat transfer enhancement

TE 965

A

1671-0460（2014）12-2572-04

2014-06-19

郝國永（1987-），男，河北石家莊人，在讀碩士研究生，研究方向：新型高效節能換熱器。E-mail：sjz_hgy@163.com。

張瑩瑩（1981-），女，講師，碩士，研究方向：主要從事材料熱加工及焊接方向。E-mail：zyy_fs@163.com。