新型縱流殼程式折流桿換熱器的研究進展

許福泉(福建省鍋爐壓力容器檢驗研究院，福建 福州 350008)

0 引言

能源是國民經(jīng)濟發(fā)展的基本動力。在中國目前的工業(yè)生產(chǎn)體系中，由于生產(chǎn)技術(shù)的落后，工藝流程不夠完善，以及設(shè)備能率的低下，很多企業(yè)的工業(yè)生產(chǎn)能源消耗巨大，能源利用率卻不高，由此引發(fā)的各類生態(tài)問題也十分嚴峻。而換熱器對實現(xiàn)節(jié)能降耗有重大影響，一直是國內(nèi)熱工技術(shù)工作者所關(guān)注的熱點。

縱流殼程換熱器是一種新型的高效換熱器，也是管殼式換熱器的一種。不同于傳統(tǒng)的橫流式換熱器，它采用新型管束支撐，使殼程流體為縱流流動，多用于高雷諾數(shù)的條件。新型縱流殼程換熱器具有傳熱效率較高、流動阻力小、抗結(jié)垢能力強、設(shè)備投資及操作費用低等優(yōu)點[1]。在新型殼程縱流式換熱器中，殼程縱流式折流桿換熱器是文章研究的中心。在實際運行中，折流桿換熱器取得了優(yōu)秀的換熱表現(xiàn)，獲得了良好的經(jīng)濟效應(yīng)。也由于其在工程應(yīng)用上的優(yōu)越性，折流桿換熱器在石油化工領(lǐng)域頗受關(guān)注，引發(fā)廣泛研究。

1 縱流殼程式折流桿換熱器的特點

1.1 縱流殼程式折流桿換熱器的結(jié)構(gòu)特點

折流桿換熱器是一種殼內(nèi)管束由一系列折流桿支撐的管殼式換熱器。折流桿支撐也叫折流柵支撐，是換熱器的核心部件，由一系列折流圈組成。折流圈上焊著折流桿，其直徑與相鄰兩管間隙相當(dāng)。

和傳統(tǒng)的折流板換熱器相比，折流桿換熱器殼程傳熱變化并不大。但在殼程結(jié)構(gòu)中，以折流柵取代了傳統(tǒng)的折流板[2]。這種結(jié)構(gòu)的改變，使殼程流體沿殼程軸線方向流動，即流體縱向流動，取代了原來的橫流與錯流。據(jù)報道，這種改變使其殼程壓力降減少35%左右，總傳熱系數(shù)與壓力降之比(K/Δp)提高50%以上[3]。而在相同的熱負荷下，傳熱面積能減少20%～30%。

1.2 縱流殼程式折流桿換熱器的性能特點

折流柵通過擾動殼程流體，使之處于紊亂狀態(tài)，最終提高抗振性能。同時消除“傳熱死區(qū)”，充分利用傳熱面積，從來強化了傳熱。折流柵的主要強化傳熱原理如下所示。

1.2.1 流體經(jīng)過折流圈所產(chǎn)生的漩渦脫落

當(dāng)流體的流速達到一定值，流體對邊界層液膜的剪切力的作用，桿和擾流圈產(chǎn)生漩渦和湍流，從而減薄液膜，最終破壞了液膜。在一定的頻率下，漩渦會以一定的周期從桿和擾流圈上脫落。漩渦的產(chǎn)生會擾動殼程流體，使流體呈紊流狀態(tài)，并減薄了流體的熱邊界層。這樣強化了換熱性能，但是增加了壓力降。漩渦的強度與流體流速有關(guān)，流速愈大，流體紊流程度就愈激烈。同時，漩渦強度隨著流程而減弱。而在漩渦強度減弱到一定程度或是消失時，流體流通后面的折流桿、折流圈時，又會產(chǎn)生新的漩渦與節(jié)流。這樣，在傳熱管的外壁上，始終存在著漩渦，有益于增強傳熱性能。

1.2.2 流過折流圈時的文丘里效應(yīng)

文丘里效應(yīng)的產(chǎn)生是由于：殼程流體通過折流圈的時候，一小段的涌流橫截面積突然縮小，而通過折流圈后又恢復(fù)。這種流通截面大小的突變，導(dǎo)致了流體流束的變化，加劇了流體的紊流程度，提高了流體流速，從而強化了對流傳熱效果。在最初設(shè)計文丘里效應(yīng)的結(jié)構(gòu)時，并不是為了增強傳熱性能，而是要滿足設(shè)備裝配的要求。因此，在進行設(shè)備設(shè)計，尤其是換熱器的時候，應(yīng)該首先達到設(shè)備轉(zhuǎn)配的需要，再盡可能減小殼程內(nèi)壁和折流圈之間的間隙大小，增加結(jié)構(gòu)的緊湊性。

1.2.3 折流柵的旋轉(zhuǎn)布置引起的流體旋轉(zhuǎn)流動

折流柵間隔一定距離，以特定排布方式布置在換熱器殼體內(nèi)。而殼側(cè)流體則會縱向沖刷管束。流體會由于折流柵的布置角度，同時進行著一定程度的旋轉(zhuǎn)流動，這會使得流體微團更有效地進行傳熱過程，增加有效傳熱面積，并且加劇流體紊流程度，使熱邊界層減薄。流體旋轉(zhuǎn)的同時，會產(chǎn)生二次流，使傳熱表面的邊界層不斷破壞和再生，壓力降也大大減小，使傳熱效果更佳。

綜上所述，折流桿換熱器的殼程流體縱向流動，強化了對流傳熱。這種新型縱流殼程換熱器擁有綜合傳熱系數(shù)高，流體壓力降小，傳熱死區(qū)小，抗振能力強等傳統(tǒng)管殼式換熱器所不具有的優(yōu)點。

2 縱流殼程式折流桿換熱器的局限性

盡管縱流殼程式折流桿換熱器在各個方面優(yōu)越于傳統(tǒng)的折流板換熱器，但在實際應(yīng)用方面，傳統(tǒng)的換熱器仍然擁有遠超折流板換熱器的市場。這其中的原因不僅是因為折流板換熱器理論完善，技術(shù)成熟，更主要的是由于折流板換熱器自身的局限性，制約著它的工業(yè)應(yīng)用。

殼程流體的流速(u)是影響殼程給熱系數(shù)(α)的主要因素，而α與u的關(guān)系為：α∝μ，n=0.6～0.8。殼程流體的流速與殼體的直徑和流量有關(guān)。當(dāng)兩者一定時，傳統(tǒng)的管殼式換熱器還可以調(diào)整折流板的間距和缺口尺寸來，從來得到需要的流體流速。而折流桿換熱器卻無法使用這種方法，當(dāng)流量確定的時候，想要增加流速，只能通過縮短殼體的直徑來實現(xiàn)。因此，折流桿換熱器的長度和殼體直徑的比值(長徑比)通常會很大，而這在許多工程應(yīng)用上是不允許的，折流桿換熱器就無法得到廣泛應(yīng)用。折流桿換熱器一般只應(yīng)用于殼程流體流量比較大的工作條件下，即雷諾數(shù)(Re)較大的情況。在小流量(低雷諾數(shù))下傳熱效果甚至不如傳統(tǒng)的折流板換熱器。據(jù)報道，Re＞1.6×104時，折流桿換熱器的優(yōu)越性才能體現(xiàn)。而在實際工程項目中，Re＜1.6×104的情況更多，這就限制了折流桿換熱器應(yīng)用的廣泛性。

3 縱流殼程式折流桿換熱器的技術(shù)展望

改進縱流殼程式折流桿的結(jié)構(gòu)，突破其局限性，使之能在低雷諾數(shù)下使用，這一課題具有重大意義。目前，有兩個方向的強化傳熱技術(shù)，分別為單項強化傳熱技術(shù)和復(fù)合強化傳熱技術(shù)。單項強化技術(shù)是對折流桿及其組合結(jié)構(gòu)進行創(chuàng)造和改進，而復(fù)合強化技術(shù)是使用多種強化手段來優(yōu)化傳熱結(jié)構(gòu)。下面分別介紹幾種新型技術(shù)。

3.1 單項強化傳熱技術(shù)

3.1.1 扁桿抗振柵

目前，胡明輔等人發(fā)明了一種新型折流桿結(jié)構(gòu)[4]。這種結(jié)構(gòu)抗振能力更強，能在激振條件下保持穩(wěn)定。扁桿抗振柵結(jié)構(gòu)是由扁鋼支撐條和支撐圈組成的。其中，前者代替了原本的整圓形折流桿，后者相當(dāng)于折流圈。這種結(jié)構(gòu)下，會形成“雙殼程”折流桿換熱器。在相同條件下，這種換熱器會使流速提高一倍，而且保留了原結(jié)構(gòu)的各種優(yōu)勢性。

3.1.2 波形折流桿

波形折流桿的出現(xiàn)時為了改造原本的折流板換熱器，使之替換成折流桿，而不改變原來的換熱管與它的排列方式，從來節(jié)約投資，并增強換熱性能。嚴良文等人設(shè)計出這種結(jié)構(gòu)[5]，并擁有其專利權(quán)。該構(gòu)造克服了結(jié)構(gòu)松散的缺點，用波形折流桿替換整圓形折流桿，性能更佳優(yōu)越。目前，波形折流桿結(jié)構(gòu)已取得實際應(yīng)用，投入生產(chǎn)。

3.1.3 抗振折流桿

這種新型折流桿結(jié)構(gòu)使用波浪形折流桿，明顯增強了文丘里效應(yīng)和渦流脫落現(xiàn)象，大大增加了流體的紊流程度。這種結(jié)構(gòu)最大的優(yōu)點就是克服了一般折流桿換熱器最顯著的缺點，使換熱器能在低雷諾數(shù)下獲得良好的傳熱效果。

3.2 復(fù)合強化傳熱技術(shù)

復(fù)合強化傳熱技術(shù)被譽為當(dāng)代最有希望的強化傳熱技術(shù)，又稱為第三代傳熱技術(shù)。這種技術(shù)能夠更好地增強換熱器的傳熱性能，彌補單項強化傳熱技術(shù)的不足。事實上，前者就是后者的有機結(jié)合，使之優(yōu)勢互補，從而提高綜合性能。下面是幾種常見的復(fù)合強化傳熱技術(shù)，有的已經(jīng)得到實驗驗證，有的正在研究，還需要理論分析。(1)折流桿與弓形折流板復(fù)合；(2)折流桿與大管孔孔板復(fù)合；(3)折流桿與管間旋流器復(fù)合；(4)波形折流桿與三角形布管；(5)折流桿與橫紋槽管組合。

從上述方案可以了解：在管程上，使用強化管取代光滑圓管，換熱器性能必然提高。在殼程上，管束支撐結(jié)構(gòu)的改進，從弓形折流板到折流桿，結(jié)構(gòu)簡單化，而傳熱面積得到充分利用，綜合性能明顯提高。而高效換熱管與新型管束支撐的有機組合，將推動換熱器發(fā)展的歷史，使換熱器在相同條件下?lián)碛凶罴褌鳠嵝阅堋?/p>

4 結(jié)語

自外國公司對具有殼程縱向流的折流桿換熱器的結(jié)構(gòu)和應(yīng)用進行研究以來，中國于20世紀80年代末至90年代初也對縱流式管束支撐物進行了開發(fā)和研究。縱流殼程換熱器擁有傳統(tǒng)管殼式換熱器所不具有的高效傳熱效果和優(yōu)越的抗振表現(xiàn)，吸引了國內(nèi)外研究者的目光。盡管目前在理論研究和實際應(yīng)用方面存在著諸多問題，但隨著技術(shù)的發(fā)展，以折流桿換熱器為代表的各種新型縱流殼程換熱器必將不斷完善，克服自身的缺陷。縱流殼程式折流桿換熱器的使用性能明顯優(yōu)于傳統(tǒng)管殼式換熱器，所以其具有較為遼闊的推廣應(yīng)用前景。隨著該項技術(shù)的進一步發(fā)展和應(yīng)用，必將在我國節(jié)能減排事業(yè)中發(fā)揮出重大作用。