針對殼管式換熱器的強(qiáng)化換熱技術(shù)探討

韓振興

上海環(huán)球制冷設(shè)備有限公司 上海 201806

1 強(qiáng)化換熱的主要方法

從傳熱學(xué)的角度分析傳熱過程可知，單位時(shí)間內(nèi)的傳熱量見式（1）：Φ=kAΔt。由式（1）可知，傳熱量Φ與傳熱系數(shù)k、傳熱面積A和傳熱平均溫差Δt有關(guān)，若要使傳熱量Φ增加，可以從提高傳熱系數(shù)k、擴(kuò)大傳熱面積A和增大傳熱平均溫差Δt的角度進(jìn)行分析。

第一，提高K的換熱系數(shù)。傳熱過程中的熱阻力，以及想要進(jìn)一步提高傳熱的系數(shù)，有需要先分析其中什么是總熱阻的重要組成部分，確定哪些是主要的或更大的分熱阻，而由于這個(gè)環(huán)節(jié)存在著很大的潛力，才能降低總熱阻，然后提高導(dǎo)熱性，例如，結(jié)構(gòu)或材質(zhì)，以便提高傳熱系數(shù)。第二，如果提高增加材料消耗來擴(kuò)大傳熱面積，不但會提高經(jīng)濟(jì)成本，而且會占用大量空間，所以擴(kuò)大傳熱面積的最有效途徑就是設(shè)法以相對較少的材料成本增加膨脹體積（例如使用翅片）。平均傳熱溫差主要決定于防凍液和冷卻劑的流出溫度及其流場配置方式。在同樣的進(jìn)口和出口溫度下，逆流換熱相對于其他形式的換熱，如順流或者錯流得到的平均對數(shù)溫差最高，同時(shí)可以得到較高的冷流體出口溫度或者較低的熱流體出口溫度。因此在逆流換熱的條件下，可以得到更高的冷流體出口溫度。所以，在實(shí)際的流程配置中，應(yīng)該綜合考慮提高平均傳熱溫差和逆流布局方式的因素。

2 殼管式換熱器的強(qiáng)化換熱技術(shù)的發(fā)展?fàn)顩r

殼管式換熱器是網(wǎng)絡(luò)間換熱器的主要形式之一，相互平行的換熱管管束構(gòu)成了殼管式換熱器的傳熱面，管道兩側(cè)用管板固定，管內(nèi)流動的液體不接觸，通過換熱管壁傳熱。為了提高殼程的換熱能力，在大多數(shù)情況下，在殼體內(nèi)設(shè)置一個(gè)擋板，使殼體內(nèi)行走的液體改變流動方向[1]。加強(qiáng)液體的攪拌，減少流動死區(qū)。世界各國科學(xué)家對管內(nèi)換熱和管外換熱技術(shù)進(jìn)行了多次研究。殼管式換熱器的換熱研究主要在兩個(gè)領(lǐng)域進(jìn)行：一是從結(jié)構(gòu)入手，設(shè)計(jì)了新型高效換熱管（如螺旋槽、波紋管、縮徑管、帶絲繞的環(huán)管、帶加強(qiáng)管的內(nèi)插），加強(qiáng)換熱過程。第二，應(yīng)采取措施（如螺旋折流板、全回轉(zhuǎn)板、螺旋葉片、折合旋鈕等），因此，主要從殼管換熱器的工藝和結(jié)構(gòu)方面研究了殼管換熱技術(shù)。

2.1 強(qiáng)化管程技術(shù)

2.1.1 螺旋槽紋管。管式螺旋槽壁有螺旋溝，如果在管內(nèi)螺旋溝使得管中液體運(yùn)動形成了局部二次流。從而降低邊界層厚度，但同時(shí)，部分液體沿軸線運(yùn)動，形成渦流，造成邊界層和邊界層分離；而如果在管外，螺旋溝不但擴(kuò)大了傳熱方式面積，也提高了內(nèi)部管紋的渦流效果，而且還能夠破壞邊界層的穩(wěn)定性，所以，內(nèi)部流體運(yùn)動的傳熱效率得以提高。這種螺旋槽的設(shè)計(jì)，有效地提高了管內(nèi)流體的熱膜系數(shù)。因此在美國技術(shù)企業(yè)Calga的研制中，研發(fā)出了內(nèi)、外螺旋槽波紋槽的管，這些螺紋管的換熱效率是普通光管的1.5倍。

2.1.2 橫紋槽管。管內(nèi)壁有凸起并相隔一定間距，同時(shí)凸起與管軸成90°，主要用于增強(qiáng)在管內(nèi)流體中的傳熱能力。當(dāng)水流通過橫排環(huán)后，在管壁上形成軸向的渦流，從而增加對流體邊界層的擾動，并促使熱能通過邊界層傳導(dǎo)。當(dāng)渦流消失后，主體液體又可以進(jìn)入第二個(gè)循環(huán)，以保持旋渦的形式繼續(xù)形成。但考慮到漩渦主要在橫槽內(nèi)部附近形成，因此，對主流體流動方向的限制也相對較小，不會導(dǎo)致主體能量損失過大。在對橫槽進(jìn)行測試之后可以發(fā)現(xiàn)，如果管道中介質(zhì)主要是空氣，橫紋管較光滑管的傳熱系數(shù)可提高約一點(diǎn)七倍，壓降約為二點(diǎn)二倍。如果介質(zhì)為水（RE≥4000），這二種參數(shù)都可分別提高大約二點(diǎn)四倍和二點(diǎn)七倍。

2.1.3 波紋管。波紋管是光管波紋當(dāng)中的一種形式，利用通過改變橫向截面來提高熱能傳輸?shù)臋C(jī)理，使在電弧波形部分的外壁內(nèi)形成了兩個(gè)反向擾動，周期性地增加流體的擾動，增加流體的湍流，并打破了邊界層的隔熱層，也因此有效地改善了傳熱系數(shù)。通常，波紋管較普通的光管換熱器效率提高2～3倍。利用FLUENT軟件對波紋管內(nèi)研究了流體流動和管道結(jié)構(gòu)對流動阻力和傳熱系數(shù)的影響；建立流動阻力與傳熱系數(shù)的對應(yīng)關(guān)系，并與實(shí)測數(shù)值結(jié)果加以對比，以檢驗(yàn)數(shù)值模擬結(jié)論的可靠性與有效性。

2.1.4 縮放管。縮徑管道是由許多節(jié)點(diǎn)構(gòu)成的波形管道，在縮徑部分與擴(kuò)張部分間互相布置，強(qiáng)化換熱機(jī)理如下：在擴(kuò)張段流體速度降低，靜壓增大；在收縮段流體速度增加，靜壓減小；流體在壓力反復(fù)改變的軸向壓力梯度作用下流動。在擴(kuò)張段，流體產(chǎn)生劇烈的漩渦，并在收縮段中得到有效的利用且沖刷了流體的邊界層，使邊界層減薄，從而強(qiáng)化了傳熱。正是由于這種結(jié)構(gòu)，縮放管能夠提高管外單相流體（特別是雷諾數(shù)較高流體）的運(yùn)動速度和傳熱。經(jīng)過試驗(yàn)和工業(yè)應(yīng)用研究，發(fā)現(xiàn)在相同的流動阻力損失下，傳熱比光滑管高出70%。

2.1.5 管內(nèi)插入物。常用的管內(nèi)嵌件種類繁多，如螺旋線圈、扭轉(zhuǎn)帶、線圈與扭轉(zhuǎn)帶的混合物、螺旋板、不規(guī)則品種等。在管路內(nèi)嵌入的某些特殊材料，能夠強(qiáng)化單相流體（如氣體、低雷諾數(shù)流體或高黏度流體）的傳熱[2]。而各種插入物間熱交換的增強(qiáng)原因主要是，由于插入物的出現(xiàn)打破了平行于軸向同長度流動的流體系統(tǒng)，從而促使液體沿插入物結(jié)構(gòu)徑向運(yùn)動，一方面是由于流體參數(shù)方向的不斷變化而引起液體劇烈攪拌，另一方面是為了增加傳熱方向的尺寸，從而增加對流換熱系數(shù)。PRomvonge研究了扭帶外套擾動線圈對管內(nèi)流體換熱的影響，發(fā)現(xiàn)其范圍為Re=3000～18000，與光管相比，外套線圈的扭曲帶換熱管的換熱增益是單獨(dú)使用線圈或扭轉(zhuǎn)帶時(shí)的兩倍，并且在一定的限度內(nèi)，隨著失真區(qū)域變得更曲線化，其分布變得更密集，傳熱效果顯著提高。英國卡爾加文公司開發(fā)了一種稱為Heatex的內(nèi)部模塊，該模塊可以將圓芯轉(zhuǎn)移到管壁并與管壁緊密接觸，從而使管內(nèi)傳熱效率提高2至15倍。此外，該公司還開發(fā)了一種稱為“HITRAN”的絲線內(nèi)模塊，該模塊在液體模式下可將管殼式換熱器管程傳熱效率提高25倍；在氣態(tài)模式下，可以將管內(nèi)傳熱系數(shù)提高5倍，與常規(guī)流速相比，這種內(nèi)部模塊可將換熱器的防污能力提高8～10倍。

2.2 強(qiáng)化殼程技術(shù)

殼體強(qiáng)化過程中的傳熱研究主要是為了改善殼體的通過結(jié)構(gòu)，傳統(tǒng)的流經(jīng)殼體的流體是一束橫向沖刷式換熱器。研究人員更頻繁地應(yīng)用螺旋偏轉(zhuǎn)板、圓形偏轉(zhuǎn)板、螺旋葉片、彎曲旋鈕等折斷流動結(jié)構(gòu)和殼體內(nèi)插值器（如彎曲條、心圈）來改善和優(yōu)化管外液體的縱向沖刷，這種沖刷主要是反向射流。

2.2.1 螺旋折流板。螺旋折流板將1/4橢圓扇形平面的許多塊連接到端部，使中心位于軸上的一個(gè)垂直面與圓柱體的內(nèi)壁相鄰，而其所組成的平面中的軸的另一個(gè)垂直面為25°-40°，因此，總的來說，它形成一個(gè)近似的螺旋曲面，使殼體一側(cè)的液體能夠以螺旋流連續(xù)運(yùn)動[3]。與傳統(tǒng)的弓形折流板換熱器相比，殼體內(nèi)流體流動模式的變化導(dǎo)致殼體長度的壓力損失較小，在單位壓力下的傳熱系數(shù)也較好，增強(qiáng)型傳熱機(jī)構(gòu)則使用了螺旋折流板實(shí)現(xiàn)殼內(nèi)的流體流動模擬（如柱塞運(yùn)動），可提高傳熱溫差。同時(shí)，由于板的層流結(jié)構(gòu)，流體的螺旋運(yùn)動也破壞了內(nèi)部分界面的形成，在半徑方向上產(chǎn)生了流動梯度，從而推動流體的湍流流動，也因此增加了熱交換。

螺旋流消除了弓形折流板換熱器反射流產(chǎn)生的氣流與折流板邊緣產(chǎn)生的氣流之間的分離，也減少了渦流分離引起的壓力過降的影響。螺旋折流板換熱器和傳統(tǒng)的弓形折流板換熱器的主要形狀與熱相有關(guān)：首先，在相同的直徑和殼體流動下，螺旋式換熱器外殼的壓力降隨螺旋角的增大而減小，但在殼體螺旋彎曲的任何坡度下，壓力降小于弓形板。二是相同Re數(shù)條件下，螺旋折流板換熱器的殼層熱膜系數(shù)高于弓形折流板。三是，在單位壓降下，螺旋折流板殼側(cè)對流換熱系數(shù)高于弓形折流板換熱器。目前，國內(nèi)公布的螺旋折流板式換熱器專利80多項(xiàng)，主要分為非連續(xù)型螺旋折流板結(jié)構(gòu)和連續(xù)型螺旋折流板結(jié)構(gòu)兩大類。

王晨等人運(yùn)用了PIV激光粒子測量方法，對螺旋折流板換熱器進(jìn)行了研究，實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，螺線光闌可以確定流體向包層方向的流向和軸線，使其能夠?qū)Ω缮姘搴蛽Q熱器進(jìn)行傾斜模糊，因而有效地減少了振蕩和流動死區(qū)。同時(shí)，換熱管間流場會因軸向擺動徑向速度而增大熱流體參數(shù)擾動，降低邊界層厚度，有利于提高傳熱性能。謝洪虎等人利用數(shù)值模擬研究了螺旋折流板的連續(xù)性，得到了螺旋螺距由L和螺旋板管殼換熱器加強(qiáng)傳熱變化規(guī)律和最佳螺紋節(jié)距。

2.2.2 折流桿支撐。折流桿換熱器用支撐環(huán)的杠桿代替了傳統(tǒng)的弓形折流板結(jié)構(gòu)，鉸鏈上的杠桿相互平行，在一個(gè)固定的圈內(nèi)平行布置，即所謂的流剪切光柵，位于外殼內(nèi)，具有一定的距離和位置。折流桿換熱器的換熱機(jī)理是，沿殼體方向流動的液體由傳統(tǒng)的橫向管束轉(zhuǎn)變?yōu)橹蓖ü埽偌由祥g隔一定距離，相互垂直的折流桿對液體的影響，導(dǎo)致渦流流動的折流桿后面的漩渦剝落，具有文丘里效應(yīng)，而在折流桿的后面形成渦流尾跡，大大方便了液體的攪拌，提高了傳熱系數(shù)，折流桿式換熱器具有殼壓降小、傳熱面積大、換熱管振動小等特點(diǎn)。缺點(diǎn)是同樣殼體直徑下，換熱管的數(shù)量比三角形排列少，有效面積下降，只有在流量大、流速高的情況下才能表現(xiàn)出優(yōu)異的性能。

2.2.3 空心環(huán)網(wǎng)板支撐。空心環(huán)一般由中小口徑鋼管短節(jié)組成，并均勻分布于換熱管束間與換熱管線性接觸，使換熱管束緊密固定，提高管束穩(wěn)定性，減少管束振動[4]。使用空心環(huán)網(wǎng)支承時(shí)，能有效降低外殼體在泵送過程中流體多次轉(zhuǎn)彎的能量損失，將流體壓力損失更好地用來提高流體在換熱外表面的湍流速度，以及沖刷換熱和加強(qiáng)換熱。根據(jù)鄧翔等人在工業(yè)化領(lǐng)域中的經(jīng)歷與成果，提出了一種新的產(chǎn)業(yè)化方法。在同等殼側(cè)壓力損失下，采用空心環(huán)網(wǎng)板支撐的換熱器殼層熱膜系數(shù)相交弓形折流板殼層熱膜系數(shù)提高50%-80%。

2.2.4 旋流網(wǎng)板支撐。旋流網(wǎng)板支撐由支撐環(huán)和螺旋扭轉(zhuǎn)板組成的結(jié)構(gòu)，在連續(xù)短扭轉(zhuǎn)帶下，殼體內(nèi)流動阻力小，可利用下游的自旋流強(qiáng)化傳熱，適用于高雷諾數(shù)流體的強(qiáng)化傳熱[5]。利用旋流網(wǎng)板上設(shè)置的旋流構(gòu)件對流經(jīng)管隙間的流體進(jìn)行分段旋流加速，殼內(nèi)形成渦流并受到湍流的刺激，旋渦和邊界飛流產(chǎn)生了二次旋渦，打破并降低了薄壁的流體運(yùn)動邊界層，從而增加了傳熱速率。當(dāng)流體流經(jīng)相對較短的扭帶時(shí)，流體運(yùn)動被迫以螺線流的形態(tài)移動。當(dāng)它遠(yuǎn)離旋渦周期時(shí)，形成一個(gè)自旋流，在下游可以保持很長的距離。結(jié)合試驗(yàn)結(jié)果和數(shù)值模擬，深入地研究了在支承圓環(huán)和旋流器板時(shí)流體的湍流速度與傳熱。研究結(jié)果顯示，旋流器能使液體在強(qiáng)烈的三角螺旋運(yùn)動中穩(wěn)定工作，增加液體的湍流，并能清潔液體壁面，從而降低了邊界層，因此傳熱效率高于空心圓環(huán)。

3 結(jié)束語

近年來，各種先進(jìn)技術(shù)提高了管殼式換熱器的性能。此外，還將結(jié)合CFD數(shù)值模型、利用激光測速和全息圖像視覺感知技術(shù)，可以進(jìn)行深入的研究和應(yīng)用建模方法。針對加強(qiáng)傳熱機(jī)理研究的繼續(xù)，應(yīng)結(jié)合管內(nèi)強(qiáng)化方法和管外強(qiáng)化方法，開發(fā)高效傳熱新技術(shù)，充分提高技術(shù)實(shí)際應(yīng)用效率，促進(jìn)殼管換熱器的有效發(fā)展。