管殼式換熱器強化傳熱技術概述

李兆南（北京華福工程有限公司天津分公司，天津　300222）

管殼式換熱器強化傳熱技術概述

李兆南（北京華福工程有限公司天津分公司，天津300222）

隨著社會經濟不斷發展，人們對能源應用的多樣性也提出了更多的要求，客觀上提高了換熱器的設計水平需求，包括強化換熱過程、提高換熱效率、節約資源投入、提高經濟效益等。其中管殼式換熱器具有結構簡單、操作可靠等優勢，目前在我國化工、石油、冶金、航空等多個領域廣泛應用。本文以下結合近年來管殼式換熱器技術的發展進行研究，提出強化傳熱技術的必要性，從管程、殼程、管束等方面分析強化傳熱的特征，并提出管殼式換熱器發展趨勢。

管殼式換熱器；技術概述；強化傳熱；發展趨勢

管殼式換熱器（shell and tube heat exchanger）又被稱之為“列管式換熱器”，是一種通過封閉在殼體中管束壁面進行傳熱的間壁式換熱器，自出現以來廣泛第應用在工業生產體系中。雖然管殼式換熱器在結構緊湊型、換熱效率、金屬材料消耗方面與新型技術制造的換熱器相比存在劣勢，但這并不影響管殼式換熱器在換熱設備體系中的主體地位，其適應性強、可靠度高、結構堅固、選材范圍大等優勢，很好的彌補了技術層面的不足。同時，管殼式換熱器已經具有了相當成熟的理論體系和應用方案，儼然成為一項重要的傳熱學研究重點領域。

1　管殼式換熱器強化傳熱技術的必要性

近年來，伴隨著我國工業體系的不斷完善和人民生活水平的提高，換熱設備的應用領域也在增加，相應的，如何解決能源與經濟發展的矛盾，就成了一個重要問題。“十二五”期間，我國明確提出了節能減排的可持續性經濟發展戰略，除了積極開發新型綠色能源應用之外，更重要的是減少以煤炭為基礎的能源利用形勢，加快社會產業結構調整，逐步淘汰落后產能，促使傳統產業的升級改造；而換熱器技術強化改進是一個重要的發展方向。

就目前來說，我國的工業行業中的換熱器設備以管殼式換熱器為主要形式，約占換熱器設備總量比例的70%，而這其中弓形折流板換熱器的數量達到70%以上，在傳統產業節能領域發揮著巨大的作用。但隨著全社會對節能減排、低碳經濟要求的提高，傳統管殼式換熱器的弊端也逐漸凸顯，這其中傳熱效率低就是一個嚴重的技術短板；理論上說，換熱率越高，對能源的節約量也就越大，對能源節約的效果也就越明顯。因此，針對管殼式換熱器強化傳熱技術的研究十分必要。

2　強化傳熱技術理論及應用

傳熱理論是熱轉換設備中主要的研究內容，結合管殼式換熱器來說，由于管內和管外流體溫度的差異，在殼體、管束的溫度也不同。當溫度差異過大的時候，換熱器內部就會產生較大的熱應力。但由于熱工設備的工況無法確定，需要增加管道內外的傳熱系數，并促使其獲得更高的傳熱效率，結合管殼式換熱器構造來說，強化傳熱技術理論也并不是針對某一方面展開的，它包括了管程、殼程和管束三個部分。

2.1管程強化傳熱

針對管程強化傳熱技術的研究主要集中在傳熱管方面，目前也是最具有前景的研究課題。總體來說，管程強化傳熱技術的研究可以劃分為兩個方面，分別是改變換熱管設計和管內插物。其中，改變換熱管設計的方式，如改變換熱管形狀，或加大管程流體的湍流程度、傳熱面積，具體的設計對象包括波紋管、伸縮管、翅片管等。而另一種類型包括管內插物的設計，及通過管內繞絲花環、紐帶等，實現管程的湍流程度；相比較來說，在管內插物的形式執行簡單、效果較好、投資較少，是目前主要應用的管程強化傳熱形式。

2.2殼程強化傳熱

在管殼式傳熱器體系中，殼程介質以液體形式存在，傳統的弓形折流板換熱器所占比例較大，是強化傳熱研究的重點。由于弓形折流板換熱器內部的流體阻力和振動較為明顯，因此導致能量損失較多。針對這一情況來說，在一定程度上提高弓形折流板換熱器強化傳熱，對節約能源具有重要的作用。

殼程強化傳熱技術應用的方式包括花隔板、螺旋折流板、折流桿等形式，就目前來說，螺旋折流板技術應用較為廣泛，且取得了較好的成果。這一技術出現在上世紀80年代，國內介入較早，在構造上利用四分之一橢圓扇形平板進行首尾相連，從而實現一個直角邊垂直于軸線、圓心位于軸線上的突出結構。在總體構造上呈現出螺旋形，促使液體進入之后也以螺旋形方式流動，可以很好的減少殼程壓力損失。

2.3管束強化傳熱

嚴格意義上說，管束強化傳熱屬于整體傳熱技術范疇，具有加工簡單、便于實現的優勢，其中應用較多的兩種技術類型包括交錯扁管和扭曲扁管。

其一，交錯扁管。交錯扁管是近年來出現的一種新型技術，在市場上的覆蓋率并不高，在應用層面來說，與普通的管殼式換熱器結構保持一致，但由于內部沒有折流板，不會出現介質流動死區，因此大大節約了生產成本。此外，由于軸線方向上的慣性會促使管程流體和殼程流體質檢的波浪形變化，可以獲得較強的攪動力，由此強化了傳熱效果。

其二，扭曲扁管。扭曲扁管類型的換熱器出現較早，上世紀80年代進入我國之后，成為提高強化傳熱的主要技術形式。其優勢主要的體積小、節約材料，同時在管程和殼程內形成的介質螺旋流形式，可以防止污垢堆積。

［1］劉雪梅，崔永志，陳軍.管殼式換熱器的強化傳熱技術及展望［J］.紡織機械，2012，01：16～20.

［2］齊洪洋，高磊，張瑩瑩，周辰琳.管殼式換熱器強化傳熱技術概述［J］.壓力容器，2012，07：73～78.

［3］王豐華.管殼式換熱器強化傳熱技術進展［J］.硫酸工業，2009，02：13～17.

［4］張輪亭，邱麗燦，王臣.管殼式換熱器強化傳熱進展［J］.當代化工，2014，11：2322～2324+2327.

［5］趙曉曦，鄧先和，陳穎，王楊君.管殼式換熱器殼程傳熱強化研究［J］.現代化工，2001，07：14～17.