換熱器強化傳熱方法及研究進展

曹玉哲 竇連城

摘 要：管殼式換熱器的應用領域非常廣泛，對其進行 強化傳熱方面的研究具有顯著的經濟效益和社會效 益，不僅符合國家對企業節能減排的要求，而且能 夠降低企業的生產成本。無論換熱器的管程還是殼 程強化傳熱技術，都會朝著結構簡單、傳熱效率高 的方向發展。

關鍵詞：換熱器；強化；傳熱

《“十二五”節能減排綜合性工作方案》明確提出，到2015年，全國萬元國內生產總值能耗下降到0.869噸標準煤；“十二五”期間，實現節約能源6.7億噸標準煤。主要實施的措施是調整優化產業結構，加快淘汰落后產能，推動傳統產業改造升級，加快節能減排技術開發和推廣應用，重點推廣高效換熱器等節能減排技術。

我國石化行業的換熱設備以管殼式換熱器為主，而且傳統弓形折流板換熱器占到總量的70%～80%。弓形折流板換熱器固然有其優點，并在產業節能方面做出了巨大貢獻，但在新的節能減排形勢下，其缺點（壓降大、存在大量流動死區、振動大、傳熱效率低等）嚴重限制了自身的生存和發展空間，同時也推進了強化傳熱理論和換熱器的發展。

一、強化傳熱理論的工程應用

根據強化傳熱理論，在管的兩側范圍內，需要增大傳熱系數較小的一側才能有效改進總傳熱系數。由于無法確定所有工況下，需要增大管內或管外的傳熱系數以得到最高的總傳熱系數，因此，強化傳熱理論在工程中的應用不是單一的模式，而是呈現出3種趨勢，即對管內、管外、管束整體的強化傳熱。無論是那種類型的強化傳熱結構，都已經細化出許多更新類型，且其適用的工作環境和強化效果各異。

管程強化傳熱高效強化傳熱管的研究一直是傳熱領域最活躍和最有生命力的重要研究課題。管程強化傳熱技術可歸結為兩個方面，其一是改變換熱管形狀以加大管程流體湍流程度或傳熱面積，如螺紋管、伸縮管、波紋管、翅片管等，其中研究較多、較典型的是螺紋管和翅片管；另一種是管內插物，用來增強管程湍流程度，常見的有管內插紐帶、繞絲花環等，其中，內插紐帶由于制造簡單，傳熱效果優良，得到了國內外研究人員的廣泛認定。

（一）螺紋管換熱器

1964年，蘭州石油機械研究所的螺紋管軋制成功，國產換熱器中開始采用螺紋管；1965年，蘭州石油機械研究所研制的螺紋管換熱器在蘭州煉油廠應用取得成功；20世紀80年代，在南京煉油廠常減壓裝置中開始大面積推廣應用螺紋管換熱器，取得了良好效果。過數值模擬研究，李占峰等發現在湍流工況下，隨著流速的增加，換熱器性能越好。模擬使用的螺旋槽管平均Nu數大約是光管的1.6～2.1倍，阻力系數大約是光管的1.5～4.5倍。通過對該管型污垢的試驗研究，曾力丁等發現螺紋管可用于預防或減輕污垢的堆積。試驗結果表明，螺紋管的熱阻是光管的52%～88%，努塞爾數是光管的1.8倍。當流體流速從0.25m/s增加到0.75m/s，污垢熱阻將減小66.7%。

（二）翅片管換熱器

翅片管是1971年由美國人首先提出來，后經過日本、前蘇聯等國進行了大量研究工作，不斷完善而成的一種換熱元件。翅片管是由光管外接翅片制成，其連接部分可以采用焊接和脹接等方式。該結構既增大了傳熱面積，又造成了強烈的擾動，起到了提高雷諾數和減小邊界層厚度的作用，多用于殼程熱阻較大的情況。翅片可按截面形狀分為矩形、花瓣形、T形、釘翅等。其中，某些類型的釘翅管甚至可以利用翅片相互支撐，而取消折流板。在此基礎上，近幾年國內外研究人員相繼提出了一種異型釘翅管。異型釘翅管的結構是在光管外交錯排列許多釘翅。試驗表明，與光管相比，異型釘翅管的傳熱系數和努塞爾數均有極大提高，分別為100倍和65～105倍；與其他翅片管相比，其傳熱效果最佳，是較理想的換熱管，應用潛力巨大。

（三）管內插扭帶換熱器

管內插扭帶最早是波蘭人 A.Klaczak 于 1964 年提出并進行試驗研究的一種高 效傳熱元件，由薄鋼板條扭曲而成。通過在管內 插入扭曲帶產生渦流，加強了流體近壁面和中心 區域的混合，從而達到強化傳熱的目的。因其 卓越的穩定性、簡單的構造及易于裝配等特點，已 經被國內外研究人員廣泛試驗和討論。在文獻中，研究人員對光管內插扭帶進 行試驗。試驗中使用兩種扭帶：普通扭帶和順時針、逆時針方向相接的扭帶。結果表明，在雷諾數為 3000 ～ 27000 范圍 內，后者表現出更高的傳熱率、摩擦系數及強化傳 熱系數。此外，兩者的努塞爾數比光管分別大 12.8% ～41.9%27.3%～90.5%。

研究者在紐帶外套擾動線圈，增強了管內氣體的湍流程度。試 驗表明，在雷諾數為 3000 ～ 18000 范圍內，和光管 相比，外套線圈的扭曲帶換熱管的強化傳熱效果 是單獨使用線圈或扭曲帶的 2 倍。而且，扭曲帶 扭曲程度越高、線圈排布越密，傳熱效果越好。

二、殼程強化傳熱

在殼程介質為液體的工況下，傳統弓形折流 板換熱器的流體流動阻力和振動較大，能量損失 嚴重，因此，殼程強化傳熱顯得尤為重要。近年 來，人們采用了各種各樣的折流支撐結構來改善 殼程流體的強化傳熱，常用的方式有：異形折流板（花隔板、螺旋折流板、整圓折流板、螺旋葉片、折流桿等）及殼程內插物（扭曲帶、空心環）等。一般認為螺旋折流板、殼程扭曲帶結構優于 其他結構，而引起較多業內人士的關注。

（一）螺旋折流板換熱器

螺旋折流板換熱器 是 20 世紀 80 年 代末由美國科研人員提出的，1994 年由美國 ABB 公司首先實現了產業化；國內對其研究和開發始 于 20 世紀 90 年代，1998 年國內第一臺單殼程螺 旋折流板換熱器首次應用于撫順石油二廠煉油裝 置，取得良好效果。該結構是將多塊 1 /4 橢圓扇 形平板首尾相互連接，使其一個直邊垂直于軸線、圓心位于軸線上且圓周緊貼筒體內壁，另一個直 邊與軸線在其構成的平面內呈一定角度（25° ～ 40°），從而總體上形成近似螺旋面，使殼程流體以 螺旋狀流動。與傳統弓形折流板換熱器相比，殼 程流體流動方式的改變使其具有殼程壓力損失 小，單位壓降下殼程傳熱系數高等諸多優點。

（二）鍋內對螺旋折流板

進入 21 世紀，國內對螺旋折流板換熱器進行 了深入研究。王晨等利用先進的 PIV 激光粒 子圖形測速技術，對螺旋折流板換熱器進行研究。結果表明，由于螺旋折流板的存在，殼程流體流動 方向與軸線呈一定角度，流體斜向沖刷換熱管及 折流板，減小了管束的震動和死區。而且，管間流 場存在著沿軸線方向波動的徑向速度，這可以增 加流體的擾動，減薄邊界層的厚度，有利于增大傳 熱系數。

雖然螺旋折流板很好地改善了傳統弓形折流 板換熱器的缺點，但其結構設計決定了折流板無 法達到無縫連接，結果是一部分流體在縫隙較大 處近似平行軸線流動，無法進行螺旋流動和強化 傳熱，而造成無法挽回的損失，這一問題已引起國 內外學者的討論。目前，對連續型螺旋折流板換 熱器的研究已被提上日程。謝洪虎等對連續折流板換熱器進行了數值模擬，并得 到了連續型螺旋折流板的螺旋節距 L 與螺旋折流 板管殼式換熱器強化傳熱效果變化規律的關系和 最佳螺紋節距。

結束語

無論換熱器的管程還是殼 程強化傳熱技術，都會朝著結構簡單、傳熱效率高 的方向發展。在今后換熱器強化傳熱技術的發展方 向上，筆者在此有幾點展望：在不增加流體流阻的 條件下提高換熱器的傳熱效率；在保證換熱器結構 緊湊的條件下增加有效傳熱面積；在保證換熱器有 較高的使用壽命的條件下使其具有較低的生產成本。

參考文獻

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（作者單位：青島理工大學）