管殼式換熱器強化傳熱及 用火傳遞研究進展

成慶林 王曉娜 楊金威 孫 巍 李治東

（1. 東北石油大學提高油氣采收率教育部重點實驗室；2. 中油國際管道公司）

換熱器是實現熱量交換，將高溫流體熱量傳給低溫流體的設備，在石油化工、能源動力及核能等工業領域普遍使用。 換熱器類型繁多，其中管殼式換熱器具有成本低、適應性強、操作彈性大及承壓能力強等諸多優點， 且適用于高溫、高壓、高流量的場合，故在工業中應用最廣泛。 換熱器在石油化工生產中投資可達30%以上，在“碳中和”、“碳達峰”的背景下，提高換熱器的換熱效率意義重大［1，2］。

隨著CFD軟件的興起， 近年來國內外學者對換熱器的研究不再拘泥于實驗方法， 大多基于CFD軟件對管殼式換熱器展開數值模擬。 為提升管殼式換熱器的性能，解決存在流動死區、漏流等問題，國內外學者致力于對強化傳熱技術的研究。 另有一些學者從能質角度出發，對換熱器展開火用傳遞研究，給出了火用傳遞性能相關參數的定義和計算公式， 用于評價換熱器的換熱性能，其評價結果對換熱器的優化和改進具有重要參考意義。 筆者基于相關文獻，整理分析近年來管殼式換熱器強化傳熱技術及其火用傳遞特性，結合研究現狀提出了管殼式換熱器未來的研究方向。

1 管殼式換熱器強化傳熱技術進展

由傳熱方程Q=KAΔtm可知， 想要達到強化傳熱的效果有3個途徑， 分別是提高總傳熱系數K、增大換熱面積A和增大換熱介質的溫差Δtm。 為此，國內外學者采用不同的方法對換熱器性能進行優化。

1.1 管程強化傳熱技術

管程強化傳熱主要通過異型管來實現，如在管束內外表面軋制螺旋槽紋、在管束內外側增設翅片等。 此外，改變換熱管束的布管方式也能夠達到強化換熱的效果。

1.1.1 螺旋槽紋管

單頭螺旋槽紋管結構圖如圖1所示， 其強化傳熱機理主要是擾流作用和降低邊界層的熱阻。

圖1 單頭螺旋槽紋管結構圖

通過對大量文獻的調研發現，國外對于螺旋槽紋管的研究開始得較早， 美國BW公司早在1956年就已經獲得了試驗的成功［3］。 我國學者針對螺旋槽紋管的數值模擬研究是在1995年由北京化工大學張政和張建文發起的，他們將三維復雜流動和傳熱問題轉化為了二維問題［4］。 KO T H給出了不同設計參數組合下螺旋管的最佳曲率比［5］。 MOHAMMED H A和NARREIN K采用數值模擬的方法，證明了減小螺旋半徑、增大內徑和減小環空直徑均可提高螺旋管換熱器的換熱速率［6］。 崔海亭和趙欣在文獻［4］的基礎上，采用螺旋坐標變換法， 利用CFD軟件數值模擬得到了螺旋槽紋管內的流動和換熱情況，進一步說明了螺旋坐標變換法的合理性，也說明了利用有限差分法分析螺旋槽紋管這種具有復雜的邊界形狀的壁區不夠精確，應該采用有限元法、有限分析法等［7］。

劉超采用數值模擬的方法得到了相關幾何參數對螺旋槽紋管換熱性能的影響（表1），由表1可見，螺旋升角和螺旋頭數對螺旋槽紋管換熱性能的影響較小［8］。因此，在設計和應用螺旋槽紋管換熱器時，應主要考慮螺距、槽深及壁厚等因素的影響，使螺旋槽紋管換熱器的傳熱系數和流動阻力均滿足需求。

表1 相關幾何參數對螺旋槽紋管換熱器換熱性能的影響

通過對螺旋槽紋管發展現狀的分析可以看出，目前，強化傳熱研究在理論、實驗、數值模擬方面均已達到了較高水平。 進一步優化螺旋槽紋管的幾何尺寸，得出螺旋槽紋管換熱器在不同工況下能量傳遞規律的關聯式將是今后主要的研究方向。

1.1.2 內、外翅片管

翅片管最早在20 世紀70 年代由美國人提出， 經后人大量研究完善演變成了一種換熱元件。 翅片管能夠提高換熱效率的原因是其與普通的光管換熱器相比，換熱面積有所增加，且能起到一定的擾流作用， 在翅片上開設擾流孔可進一步提高換熱效率。 翅片管基本結構示意圖如圖2所示。

圖2 翅片管換熱器中翅片管基本結構示意圖

在以往的研究中，大部分學者都忽略了片管式換熱器空氣側風速不均勻性的影響，呂如兵應用Fluent軟件得出了V形翅片管式換熱器空氣側空氣速度的不均勻分布情況，發現空氣在換熱器內部的一些區域形成了渦流， 這些發現對于V形翅片管式換熱器的強化換熱提供了指導依據［9］。秦力峰分析了基管直徑、管中心距、排中心距、翅片間距和翅片厚度5個影響因素對翅片管換熱器的影響［10］，具體見表2。

表2 主要影響因素對翅片管換熱器換熱性能影響情況對比

由表2可知，選擇較小的翅片管直徑、合適的管中心距離、適當增加排中心距離、較小的翅片間距，可有效提高換熱器性能，且從節約材料成本的角度考慮，選擇較小的翅片厚度較為合適。

1.1.3 改變換熱管束的布管方式

不僅換熱管束的尺寸大小和幾何形狀對其換熱效果有影響，其排列方式對傳熱也有較大影響。 一般換熱器管束有4種排列方式，分別為正三角形排列、轉角正三角形排列、正方形排列和轉角正方形排列（圖3）。 孫立勇通過數值模擬上述4種不同排列方式的換熱管束發現：正三角形排列結構緊湊，傳熱面積大，冷熱流體通過管壁能夠充分換熱，但是由于這種緊湊的結構使得殼程流體流動空間相對較小，流動阻力增大，在4種排列方式中壓降最大；轉角正三角形的排列方式相對整齊，形成了順排管束，降低流體流動阻力，故壓降較小， 但是換熱效果不如正三角形排列管束，因為來流與前端管束換熱后到達后端管束時溫度梯度有所降低，且換熱面積沒有正三角形排列大；正方形排列管束排列整齊，換熱面積小，所以換熱效果較差，但是流體流動阻力小，壓降較低；轉角正方形排列呈45°間隔式，冷熱流體換熱效果與正方形排列相比有所增強［11］。

圖3 換熱管束排列方式

1.2 殼程強化傳熱技術

傳統管殼式換熱器的支撐結構多為單弓形折流板，其結構簡單，制造方便。 但殼程流場為“Z”字形，是典型的橫向流流場，該流場存在沿程壓降大、流動死區大、傳熱效率低及結垢嚴重等問題。 為此眾多學者對支撐結構提出了許多改進方法。

1.2.1 折流板

折流板一方面作用是支撐換熱器換熱管束，另一方面作用是增加殼程流體的流速和湍流強度，進而提高傳熱系數。 葉萌發現在相同壓降下，折流板開孔后換熱器總傳熱系數增大，且采用實驗與數值模擬兩種方法證明了折流板開口可以達到強化傳熱的目的［12］。 AMBEKAR A S等對管殼式換熱器進行了單、雙、三、螺旋、花a型和花b型折流板結構的CFD模擬研究， 證明花型折流板是最有效的折流板，且花b型折流板比花a型更有效， 因為其將壓降降低到與花a型折流板相同程度時，具有更好的換熱性能［13］。 花a型和花b型折流板結構圖如圖4所示。

圖4 折流板結構圖

折流板換熱器的強化換熱技術日益完善，新型折流板換熱器的提出主要是基于增大殼程流體湍流強度、提高對流換熱系數和增大換熱面積來提出的。 許偉峰提出一種變角度四分螺旋折流板結構，變角度結構體現在殼程進口段螺旋折流板第1個螺旋周期的螺旋角上， 這種新型結構有效解決了原本相鄰折流板搭接的不連續和三角區漏流現象， 并使流體在殼程的湍流強度增強，強化了換熱器的殼程換熱［14］。 MAAKOUL A E等采用數值模型計算比較了節段折流板、螺旋折流板和三葉孔折流板這3種不同折流板類型的管殼式換熱器的熱工水力性能，發現螺旋折流板的速度分布比節段式和三葉孔折流板更均勻，這將減少殼體內部的死區和流體再循環區域，且與傳統的分段折流板相比，使用螺旋折流板能夠在傳熱和壓降特性之間提供良好的平衡［15］。 鄭志陽提出了一種滴形管類梯形傾斜折流板換熱器，其換熱機理是提高了殼程流體對流換熱強度，較弓形折流板換熱器和簾式折流片換熱器的對流換熱系數提高10%左右， 并且這種新型結構改善了流體速度與溫度梯度的協同性［16］。 王志鵬提出的新型垂直式斜折流片管殼式換熱器，其換熱機理主要是增大了換熱面積［17］。 當流體流經這種換熱器的折流片時會形成傾斜流動，流體斜向與換熱管束接觸，不僅使換熱面積增大，且無明顯流動死區。

1.2.2 百葉板

增設百葉結構主要是為了解決傳統弓形折流板換熱器殼程壓降大和存在流動死區的問題。許曉紅提出雙殼程外螺旋內斜百葉片管殼式換熱器（圖5），其外殼程采用螺旋折流板，流體呈螺旋流動斜向沖刷管束，擾流作用加強，傳熱得到強化。 內殼程采用斜百葉片折流板，起到導流作用，能夠減小壓降損失。 在相同質量流量、單位壓降下，這種雙殼程換熱器傳熱系數比傳統弓形折流板管殼式換熱器平均提高24.4%［18］。

圖5 雙殼程外螺旋內斜百葉片管殼式換熱器結構圖

張媛媛提出了一種內嵌百葉板結構換熱器（圖6）［19］，該種內嵌百葉板結構使殼側流體由“Z”字形流動轉變為了“Z”字形流動與圓弧形流動共存的形式， 流動死區與回流區面積有所減小，與弓形折流板換熱器相比，在同等流速時殼程流體壓降大幅降低，并且傳熱系數略微增大。 內嵌百葉板結構換熱器的各幾何參數對其流動與傳熱性能的影響見表3。

圖6 內嵌百葉板換熱器內部結構模型圖

表3 主要幾何參數對內嵌百葉板換熱器換熱性能的影響對比

百葉角度指的是百葉片與折流板徑向夾角，百葉角度的改變主要影響的是殼程壓降，隨著百葉角度的增大， 相鄰百葉片間流體流通面積增大，進而達到降低殼程壓降的效果。 百葉數量增多減小了流體通過百葉區的流通面積，使折流板兩側的速度梯度增大，殼側流體會在折流板背風側形成滯留區，降低熱量傳遞效果，同時殼程壓降也有所增大。 增大百葉長度，使流體在折流板迎風側與背風側的高差增大，流體在流經百葉片后位能轉化為動能，對換熱管束的沖刷作用有所增強，進而增強了對流換熱效果。

1.2.3 折流桿

折流桿支撐結構使流體縱向沖刷管束，增大了有效換熱面積，降低了殼程壓降，同時也減少了流動死區。 折流桿式支撐是美國菲利普公司率先研發的，我國對于縱流殼程換熱器的研究在20世紀90年代才剛剛開始。 折流桿換熱器結構示意圖如圖7所示。

圖7 折流桿換熱器結構示意圖

董其伍等通過理論探討和實驗研究發現縱流殼程換熱器的傳熱性能比折流板換熱器好［20］。馬雷等在折流桿換熱器的結構上做出了改變，設計了一種新型的變截面折流桿式換熱器，在降低換熱流體流動阻力的同時換熱綜合性能最多提高13%～14%［21］。胡崇舉將方形布管折流桿換熱器分成X、C、E3個流路來研究傳熱與流動特性，利用Fluent進行三維數值模擬，并通過Matlab多元線性擬合得到了阻力準數關系式［22］。 陳洋衛對折流桿換熱器25、38、76 mm的3種折流柵間距進行數值模擬對比分析， 發現間距為38 mm時換熱器具綜合性能最佳［23］。 王新婷旨在通過增加殼程流速和流程長度來大幅增強折流桿換熱器的殼程性能，提出了一種采用圓筒分程的雙殼程折流桿換熱器［24］。

殼程流體性能受管束結構和支撐結構兩個因素的影響。 表4為不同管束支撐結構性能的對比，可見螺旋沖刷管束和縱向沖刷管束可提升傳熱效率。 通過以上調研發現，新型管束與類梯形傾斜折流板、內嵌百葉板及折流桿支撐結構的組合對殼程流體的協同導流作用效果較好，不僅能強化傳熱，還能減小流體流動阻力。

表4 不同管束支撐結構性能的對比

1.3 換熱介質強化傳熱技術

伴隨著納米技術的蓬勃發展，納米流體——一些含有金屬和非金屬納米顆粒的膠體問世。 納米流體之所以能夠強化換熱是因為其納米級別尺寸的顆粒均勻分散，穩定懸浮在基液中，使其具有較高的導熱系數。 DUANGTHONGSUK W和WONGWISES S研究了雙管換熱器中用TiO2-水納米流體作為換熱介質后的傳熱和壓降特性，證明了在特定實驗條件下，使用TiO2-水納米流體可提高換熱器換熱性能， 對流換熱系數增加了6%～11%［25］。HASHEMI S M和AKHAVAN-BEHABADI M A采用實驗方法研究了恒熱流密度下水平螺旋管內納米流體的換熱和壓降特性，證明納米流體替代基液雖提高了傳熱系數，但管的曲率也會導致壓降增強［26］。 MAHIAN O等在一篇關于納米流體熵產的綜述中指出， 低濃度的銅-水納米流體對殼管內的總熵產生幾乎沒有影響，且使用納米流體可以減少層流狀態下圓管內的熵產，因為它們可以在流動中分配熱量，從而降低局部溫度梯度，而局部溫度梯度在納米流體流動的熵產中對摩擦損失起主導作用［27］。根據KUMAR P C M等的研究，在螺旋管中使用納米流體可以在管道中產生更強的二次流動［28］。 第二流可以使納米顆粒適當混合，同時避免顆粒濃度增加，從而提高傳熱速率和壓降。 JAFARZAD A和HEYHAT M M通過實驗研究垂直雙管換熱器環形空間內氣泡和納米流體二者組合的強化傳熱性能，分析了它們對能量、壓降和火用效率的影響，并采用基于人工神經網絡-遺傳算法的雙目標優化方法， 在考慮火用損失的同時，確定確保強化傳熱的最佳設計參數集。 結果表明：組合方法將換熱器的能量交換效率提高了26.5%～92.5%［29］。 張文博在研究中指出CuO水基納米流體比SiO2、ZnO水基納米流體的強化傳熱效果好，且強化傳熱強度隨著納米流體體積濃度的增大而增大［30］。

通過以上調研分析可知，納米流體的強化傳熱技術應用前景非常廣闊，越來越多的學者投入到了對納米流體的研究中。 使用納米流體代替傳統換熱介質雖然可以提升管殼式換熱器的換熱效率，但是也將面臨一些技術難題：納米流體制備工藝的改進、保證納米流體與換熱器壁面不發生化學反應的前提下換熱器材料的選擇以及湍流狀態下納米流體的換熱特性等。

2 管殼式換熱器火用傳遞特性研究現狀

火用的本質即為熱力學第二定律所涵蓋的“能質” 概念，1956年，RANT提出新的名詞“Exergie” 來描述有效能。 1957年這一名詞傳入我國，王守泰和夏彥儒教授將“Exergie”譯為熱力學參數“火用”。 1985年SOMA J首次建立了火用傳遞方程。 1993年項新耀首次提出有關工程傳遞的基本概念。 換熱設備是能量傳遞和轉換的基礎，其換熱過程是典型的不可逆過程， 換熱器冷熱流在熱量交換過程中火用的轉換和傳遞有獨特的規律， 對于換熱器的合理設計和節能優化是非常重要的。

雖然大多數換熱器都從能量問題進行優化，但從能質角度對換熱器進行優化的卻很少。 換句話說，人們已經提出了許多方法和關聯方法來評價換熱器的傳熱效率，但對于大多數換熱器的火用特性幾乎沒有可用的關聯式。 因此，需要進一步研究其可用性和不可逆性概念。 POURHEDAYAT S等對殼程和管程分別使用影響火用損失的各種參數進行敏感性分析，建立計算螺旋管流動的無量綱火用損失的關聯式［31］。

袁曉鳳在2007年首次提出了換熱器的傳火用有效度、局部和平均傳火用系數及傳火用單元數等概念和計算公式，其中傳火用單元數意味著換熱器傳熱面積的大小，可使用這一參數對換熱器的傳熱效果進行分析［32］。 傳火用系數是一個同時考慮傳熱和流阻的可用系數， 可用來計算能質的損失，并對換熱器的傳熱性能優化有指導意義。 文中還分析了污垢對換熱器火用傳遞過程的影響，污垢的存在對換熱器傳熱性能有兩方面影響，一是增大了換熱熱阻，降低換熱器的傳熱能力；二是增大了流體流動阻力，使壓降增大。 這為分析污垢對能量傳遞過程的影響提供了一個新的方向，也為換熱器的優化設計提供了理論指導。

耿士敏通過建立數學模型得到了換熱器的溫度分布， 進行傳遞計算后得到了火用傳遞系數，再通過分析各因素對火用傳遞系數的影響，得到了一些提高換熱器的換熱性能的方法（表5），為優化換熱器性能提出了指導性的意見［33］。

表5 提高換熱器換熱性能的方法

POURHEDAYAT S等通過實驗研究了螺旋管式管殼換熱器中流體、熱力學參數和幾何參數對火用特性的影響［31］。發現火用損失隨管殼側流量的增加而增加，無量綱火用損失隨流量的增加而增加或減少，這取決于Cmin=Min{Ch=m·hcph，Cc=m·ccpc}，即冷流體升溫1 ℃或熱流體降溫1 ℃所需最小熱量。二者均隨螺旋管側入口溫度的升高和殼側入口溫度的降低而增大。 孫鑫采用多場耦合的方法，將流場、溫度場計算結果代入到換熱器結構計算中［34］。 針對這一想法，可以采用多場耦合的方法，展開對換熱器火用傳遞過程的研究，深度分析多場耦合作用下換熱器火用傳遞特性。

3 管殼式換熱器研究發展趨勢

管殼式換熱器的管程強化傳熱主要通過異型管來實現，其主要發展特點是增加管程的換熱面積，或在靠近壁面的部分換熱流體受異型管的引導形成局部二次流， 增強流體的湍流強度，進而達到強化管側傳熱的目的。 而對于殼程強化傳熱技術的發展，主要呈現兩個方面的特點：一是使殼程內流體流動由橫向變為縱向， 減小壓降，增大換熱面積；二是支撐結構向著低流阻、低投資、方便制造的方向發展。 此外，納米流體近些年應用廣泛， 用來替代基液可提高傳熱系數和壓降， 因此應該增加對納米流體強化傳熱的研究。對于今后管殼式換熱器強化傳熱技術的發展的方向，可以考慮高效傳熱效果的異型管束、高傳熱系數的納米流體、低流阻和高效傳熱的殼程支撐結構三者相結合的復合強化傳熱技術。

目前，對管殼式換熱器進行火用傳遞的研究少之又少，筆者認為未來管殼式換熱器火用傳遞的研究可以從以下三方面展開：

a. 利用數值模擬軟件得到相應的溫度、壓力場分布后，計算不同影響因素變化條件下各環節間的火用傳遞有效度和平均火用傳遞系數，對于強化管殼式換熱器傳熱效率有一定的指導作用。

b. 多場耦合作用下管殼式換熱器的火用傳遞研究，如溫度場與壓力場的耦合作用。 運用非平衡態熱力學有關理論和方法，建立耦合作用下管殼式換熱器火用傳遞唯象方程。

c. 結合唯象方程，從火用阻角度研究調節和控制火用傳遞過程的有效機制，揭示不同形式火用之間轉換、傳遞的動力學機理。

4 結束語

換熱器特別是管殼式換熱器在石油化工領域應用廣泛。 增強管殼式換熱器的換熱效果對國家節能減排政策和“碳達峰”、“碳中和”的目標具有重要意義。 隨著強化傳熱理論的不斷發展，越來越多的新型高效換熱器被提出，筆者通過對管程、 殼程和換熱介質3個方面強化換熱技術的發展進行分析，總結了強化傳熱特點，并提出了未來的管殼式換熱器將會朝著高效傳熱效果的異型管束、高傳熱系數的納米流體、低流阻和高效傳熱的殼程支撐結構三者相結合的復合強化傳熱技術發展方向。 而對于管殼式換熱器火用傳遞的研究是關鍵的一步，運用非平衡態熱力學有關理論和方法，研究多場耦合作用下管殼式換熱器的火用傳遞的特點，從能質角度分析其在傳熱過程中的薄弱之處并加以改進，對換熱器強化傳熱技術有一定的指導作用。