管殼式換熱器節能減排技術的應用研究

項祥勇

摘 要：在石油化工行業中，管殼式換熱器的應用越來越廣泛。高效換熱器的使用能夠使金屬材料的消耗得到降低，從而使能源的利用率得到進一步的提升，達到節能減排的目的。管殼式換熱器節能減排技術的研究和應用主要集中在兩個方面：管程強化傳熱和殼程強化傳熱，本文對此進行了簡要的介紹，旨在進一步推進管殼式換熱器的節能減排技術應用和研究。

關鍵詞：節能減排；換熱器；管殼式

中圖分類號： TH21.5 文獻標識碼： A 文章編號： 1673-1069（2016）20-162-2

0 引言

在一些高能耗的產業部門中都要應用到換熱器，例如動力、石油、化工等。由于化石能源的緊缺，我國在各行各業積極倡導節能減排，這也進一步推進了換熱器節能技術的發展。換熱器中應用最廣泛的一種就是管殼式換熱器，管殼式換熱器的節能減排技術主要針對增大傳熱面積和提高傳熱系數兩個方面，通過強化傳熱技術來實現節能減排的目的。

1 管殼式換熱器的管程節能技術應用

在管殼式換熱器中，強化傳熱，指的是通過對光管進行加工，將其加工成為各種形狀的異形管，或者在管內插入其他物體來進行傳熱強化，這樣可以對傳熱面積進行擴展，使流體的湍流速度增加[1]。

1.1 管內插入件

為了對管內的單向流體傳熱進行強化，可以使用管內插入件的方法。常用的管內插入件主要有靜態混合器、螺旋片、螺旋線圈、紐帶等。與光管相比，將麻花片紐帶加入到管內，能夠增加55%-95%的管的換熱系數，70%-400%的摩擦系數。這是由于管內液體從層流到湍流時的臨界雷諾數會因為管內的插入物而降低，使其具有更好的強化傳熱效果。

1.2 針翅管

針翅管不僅能夠節省支撐板材料，而且能夠使傳熱面得到有效的擴大，并使流體產生強烈的擾動，有著良好的強化傳熱效果。針翅管可以作為油品換熱器中的換熱管，以代替傳統的螺紋管和鋼管，其具有含塵高溫煙氣、高粘度介質、低傳熱膜系數，在余熱回收以及縱向流管束換熱中都可以得到有效的應用[2]。

1.3 帶內凸肋結構管

帶內凸肋結構管的顯著特征就是管壁上存在有內凸肋結構，應用比較廣泛的帶內凸肋結構管是橫紋管和螺旋槽管。通過對光管進行擠壓可以制成螺旋槽管，通過無相變或有相變的傳熱，螺旋槽管的管壁條紋能夠使管內外的傳熱系數得到明顯的提高。與此同時冷凝液膜也會產生附加的表面張力，從而使冷凝傳熱熱阻減少，橫紋管的制作比較簡單，選擇普通圓管，通過滾軋的方式在管外壁制作出一些凹槽，并在管內制作出凸起的環肋，凹槽的方向垂直于軸線。當橫向環肋中有液體流過時，就會形成軸向旋渦，使邊界層的擾動不斷增加，促使邊界層的分離，熱量傳遞比較有利。而且一個漩渦消失又會產生另一個渦流，從而對其強化傳熱作用進行穩定。

在冷凝、沸騰、對流的工況中都比較適用帶內凸肋結構管，這是由于其具有并強化傳熱的功能。單頭螺旋紋管的流體阻力略大于橫紋管，但其具有更好的傳熱性能。

1.4 縮放管

使用一次交替的多節漸擴段和漸縮段能夠構成縮放管。在管壁面收縮的作用下，流經縮放管的液體壓力會出現周期性變化，從而產生渦流，渦流會對流體的邊界層進行沖刷，減薄邊界層，從而達到增加傳熱系數的目的。而且管內外單向流體的傳熱都可以得到有效的強化，在流阻損失不變的前提下，與光管相比，使用縮放管能夠增加70%左右的傳熱量。根據相關研究，縮放管擴張段的局部換熱系數逐漸下降，其收縮段具有較強的憑據換熱能力。這是由于收縮段的流體加速，能夠強化傳熱，而擴張段流體減速，會弱化傳熱。當前的縮放管結構中，收縮壓和擴張段的長度各占一半，由于擴張段的比例較大，一定程度上影響了縮放管的總體傳熱效率。因此可以適當的減少擴張段的長度，增加收縮段的長度，并運用平直鏈面連接方式作為縮放連接處，對流體阻力進行進一步的減小[3]。

1.5 三維內肋管

使用專門的工具和方法加工普通圓管的內壁，能夠使其成為三維內肋管，其是一種局部強化傳熱元件。三維內肋管具有以下幾點傳熱機理：第一，三維內肋管對管內傳熱面積進行了進一步的擴大；第二，三維內管中的各肋都可以成為擾動源，使流體流動的紊動度增加；第三，肋間的近壁面處流體會進一步加速，從而使熱邊界層的厚度進一步減薄；第四，三維肋會受到流體的橫向沖刷，從而增大肋與流體的換熱系數；第五，三維內肋管中的流體會形成周期性振動。

通過相關實驗表明，與光管相比，三維內肋管的空氣換熱倍數為5.8倍，在相同工況下，三維內肋管的管內沸騰換熱是光管的2-5倍，凝結換熱是光管的3-5倍。然而其缺點在于具有比較復雜的加工工藝，而且清洗比較困難[4]。

2 管殼式換熱器的殼程節能技術應用

支撐管束是管殼式換熱器中管束支撐結構的主要作用，通過支撐管束能夠使有效地控制流體的流速和流行，避免流體誘導振動而造成的管子失效。在管殼式換熱器中，殼程的關鍵部件就是管束支撐結構。有兩種方式可以對換熱器的殼程傳熱進行強化，分別為對傳熱管的管間支撐結構進行改變和對傳熱管的外表面結構進行改變。

2.1 管間支撐結構

2.1.1 管子自支撐結構

自支撐管能夠對原有的管束支撐進行有效的簡化，并使換熱器的緊湊度得到一定的提高，常用的自支撐管包括變截面管、螺旋扁管、刺孔膜片管等。管子主要是靠變徑部分、螺旋線和刺孔膜片進行支撐，其能夠構成殼程的擾流元件，使流體自身的湍流度增大，管壁上的流體邊界層也會遭到破壞，從而增強殼程傳熱。

2.1.2 空心環支撐結構

依照一定的間隔將小直徑的金屬短管設置在換熱管束的同一界面上，以此來替代傳統的折流柵，其不僅能夠，對管束進行支撐，對流體擾動也有一定的促進作用。將強化板和空心環支撐組合起來，可以形成花瓣管、低肋管、縮放管等，流體縱向沖刷產生的對流換熱得到了一定的強化，其具有壓降小、殼側空隙率大的優點。

2.1.3 桿式支撐結構

折流板換熱器中，橫向沖刷的流體可能會產生一定的振動破壞，為了解決這一問題，產生了桿式支撐結構，其主要構成部件是支承桿和折流柵。將一定數量的折流桿焊接在折流圈上，形成折流柵。折流桿會夾住管子，并保持流體的縱向流動。折流桿換熱器的有點在于設備結構緊湊，具有良好的抗振性能和較小的流體阻力，傳熱系統較大。

2.2 管外傳熱強化

表面多孔管具有良好的管外傳熱強化功能，由于加工方法的不同，表面多孔管又可以分為機械加工多孔表面管、化學腐蝕加工多孔表面管、燒結多孔表面管等類型。表面多孔管具有粗糙的表面和多孔隧道，氣化核心增強，對于形成泡核沸騰更加有利，沸騰時更容易產生強烈的對流給熱。但是表面多孔管也存在一定的不足，綜合性能較好的是燒結多孔表面管，機械加工多孔表面管難以形成很小的空隙，從而不能有效地提高傳熱性能，化學腐蝕加工多孔表面管中的金屬很容易被氧化，容易掩蓋或阻塞微孔，影響使用壽命。

3 結語

在管殼式換熱器中應用各種有效的節能減排技術能夠起到良好的作用，主要是對換熱器結構進行改進或者對傳熱元件進行強化。當前該方面的研究大多屬于半經驗性和經驗性研究，但是這也存在一定的問題，在強化傳熱的過程中可能會增加流動阻力。因此在應用節能節排技術時還要考慮對流體阻力的增加進行有效的控制。

參 考 文 獻

[1] 唐安.一種水冷換熱設備除垢方法研究[J].船電技術，2016（02）.

[2] 尤天運.淺談換熱器管束制作過程中的關鍵工序[J].中國新技術新產品，2013（22）.

[3] 金文凱.U型換熱器管束潛在質量問題分析及處理對策[J].中國化工裝備，2013（01）.

[4] 王尊策，何寶林，韓建荒，李森，李君書.高溫換熱器多場耦合數值模擬研究[J].化工機械，2013（02）.