管殼式換熱器殼程流動傳熱特性及其影響因素研究進展

殷小明*

（上海市特種設備監督檢驗技術研究院）

0 引言

各種化工原料的生產過程都需要進行熱量交換及傳遞，其中應用最廣泛的化工換熱設備是管殼式換熱器，其結構簡單、選材范圍廣、可靠性強，且能在高溫高壓環境中使用。隨著能源危機加劇，自然資源短缺和企業大規模生產程度推進，對管殼式換熱器的需求量也不斷增大。針對管殼式換熱器的流動傳熱特性的研究一直在進行，旨在優化換熱器結構、提升換熱器換熱效率并降低其失效風險。

本文分別從殼程結構及流體特性兩個方面對管殼式換熱器的流動傳熱特性進行綜述，其中殼程結構主要包括管束支撐結構、換熱管外表面結構及管束的排列方式，流體特性主要為流體進口速度，分別綜述了相關因素對管殼式換熱器殼流動傳熱特性的影響。

1 殼程結構對管殼式換熱器流動傳熱特性的影響

管殼式換熱器內的冷熱流體主要通過換熱管外壁面進行熱量傳遞和交換，殼程是換熱管外流體流經的區域。殼程結構形式包括換熱管外表面結構、管束支撐結構及管束的排列方式，這些因素都會對流體的流動傳特性、沿程阻力及壓降產生影響。

1.1 管束支撐結構

管殼式換熱器支撐結構形式包括折流板、折流桿及空心環等，其不僅可以支撐管束，還可以改變流體流動方向，增強流體擾動程度，提高換熱效率。殼程流體存在流動“死區”，應改進管束支撐結構，盡可能消除流體流動傳熱“死區”，提高殼程綜合換熱能力。大量學者對管束支撐結構進行了相關研究，其中最常見的支撐結構是折流板，折流板的結構形式包括弓形折流板、螺旋式折流板及盤形-圓環形折流板等。不同結構形式的折流板適用場所不同，其影響因素也有差異。折流板的流體橫向沖刷管束，且部分逆流；圓形孔板的流體縱向沖刷管束，流體完全逆流。弓形板是較常用的折流板，其結構形式可分為單弓形、雙弓形及多弓形，傳統的管殼式換熱器管束支撐結構采用單弓形折流板支撐管束，其作用是阻止換熱管因流體誘發振動，流體誘發振動的機理主要包括渦旋脫落、紊流抖振、流體彈性不穩定性和聲共振等[1]，使殼程流體產生預期的流速和流型，增加換熱管的抗振性，防止在交變應力下，管束發生振動而失效。

金立鵬[2]采用數值模擬研究單弓形折流板的結構對管殼式換熱器殼程流體的流場、溫度場及換熱器綜合換熱性能影響后發現，隨著折流板數目增加，殼程流體出口溫度降低，進出口壓差增加，殼程換熱系數增大，折流板切口方向角增加，殼程出口溫度增加，進出口壓差及殼程換熱系數降低，且折流板轉角為45°，殼程進口流速為 1.5 m/s 時，綜合換熱性能最好。

Li 等[3-4]通過實驗研究了不同折流板間距對殼程壓降及傳熱系數的影響，并繪制了每排換熱管努塞爾數分布圖及兩折流板間的壓降變化。馬福華[5]對折流板間距及圓缺率對殼程壓降、傳熱系數的影響進行了介紹，并推導了折流板間距及圓缺率的優化方程，得出圓缺率在0.2～0.35 時，折流板間距與殼徑比率取0.3～0.6 較適宜。

郭夢軍等[6]通過模擬發現，雙弓形板和圓形-圓盤折流板有利于殼程流體的流動及壓降區別不大，且比單弓形折流板之間流體滯留區及壓降小。螺旋式是一種新型的折流板形式，可使殼程流體做螺旋運動來減少流動死區及回流，具有提高殼程傳熱系數、減少旁路漏流及抑制流體誘導振動等優點。Movassang等[7]通過實驗研究了弓形折流板與螺旋式折流板換熱器的換熱性能，發現在單位壓降下，螺旋板式換熱器的換熱系數更高，綜合性能更好。

梁帥等[8]通過數值模擬不同特征螺旋角折流板對管殼式換熱器流動與傳熱性能的影響，并提出連續型螺旋折流板換熱器特征螺旋角的定義方法，發現連續型螺旋折流板螺旋折流段內流體呈周期性螺旋流動，在中心軸向位置不存在柱塞流，特征螺旋角越大，換熱器換熱性能越好，當特征螺旋角為14°時，換熱器綜合性能最好，比其他特征螺旋角換熱性能高59%～1 192%，特征螺旋角對殼程壓降的影響比傳熱系數更為顯著。

管束支撐結構是管殼式換熱器殼程的重要部件，其結構形式對殼程流體的壓降、阻力及傳熱系數的影響至關重要，且制約換熱管束的壽命，避免換熱器因流體誘發振動而引發失效，使流體流動分布更加合理。管束支撐 結構形式較多，受影響的因素也較多，尋找一種既能減少流體的壓降又能增強換熱效果的管束支撐結構是未來研究的方向。

1.2 換熱管外表面結構

換熱管外表面結構優化主要是擴展流體換熱面積，增加殼程流體的擾動程度，在單位時間內，使殼程流體參與更多的熱量交換。在管外壁加工軋制成各種形狀的低翅片，與傳統的光滑管相比，流體在殼程的流動阻力增大，但由于流動換熱是多種影響因素共同作用的結果，結合場協同原理，發現沿程阻力對換熱的抑制作用較小，反而增加了流體在管道表面的停留時間，當溫度梯度較大時，換熱器綜合換熱性能提升較明顯。

鄔志偉等[9]對平直翅片管換熱器進行數值研究，采用k-ε 兩方程模型與壁面函數法相結合的方法研究翅片間距對換熱性能的影響，翅片間距設置為4、6、8、10 及12 mm。翅片間距增大，管外翅片總數減少，空氣側流通摩擦面積降低，流體擾動減弱，換熱性能降低，當翅片間距較小時，摩擦因子較大，隨著間距增大，摩擦因子降低。

Liu 等[10]采用數值模擬研究了不同開孔間距對開孔翅片管換熱器的空氣側傳熱性能的影響，發現翅片間距為10 mm 時，雷諾數越大，j因子提高越多，當雷諾數為2 350 時j因子增加8.1%。Yang 等[11]對波狀翅片在換熱管外表面的熱力性能進行研究，對比翅片在換熱管的正交分布與斜角分布等結構參數對流體的壓降和傳熱系數的影響，發現斜角翅片換熱管的傳熱系數較正交翅片換熱管高20.1%，壓降較正交翅片換熱管高71.4%。

換熱管外表面翅片數量、間距、傾角及厚度等都會對流體的流動阻力及換熱性能產生影響，現階段的研究方法較為單一，并沒有相關計算公式擬合綜合評價中各種因素影響，且忽略了流體的表面張力在翅片上形態變化及影響。

1.3 管束排列方式

管殼式換熱器的殼程空間有限，在單位空間內，管束排列方式不同，會對管束的數量及殼程換熱結構產生影響，也會對殼程流體的流動傳熱特性及流體結垢產生影響。考慮到換熱器的結構設計、流體介質本身的屬性及制造工藝的復雜程度等因素，換熱器在管板的排列方式可分為正三角形排列、轉角正三角形排列、正方形排列及轉角正方形排列，如圖1 所示。

圖1 換熱管束的四種排列方式

鞠紅香[12]對管殼式換熱器殼程的換熱管束排列方式進行了模擬研究后發現，采用正三角排列的管束結構非常緊湊，熱管束與冷流體充分接觸，傳熱面積較大，而轉角三角形排列管束因存在順排換熱管束，流體在后排換熱速率較小，換熱不充分；正方形排列管束的流體阻力很小，流體擾動不明顯，換熱效果差；轉角正方形排列換熱管間呈45°，換熱空間大，流體流速較小，湍流作用不明顯。

孫立勇[13]采用數值模擬了管束排列方式對管殼式換熱器殼程流動與傳熱的影響，分別得出4 種排列方式下換熱器模型的速度矢量場、壓力場及溫度場分布云圖。管束數量相同時，換熱效果排序為：正三角形＞轉角正三角形＞轉角正方形＞正方形。正三角形排列的管束結構最緊湊，換熱效果最好，但其殼程流體壓降最大，能耗較高，拆裝困難；轉角正三角形的管束換熱效果不及正三角形，流體在管束的流程變小，但換熱效率比轉角正方形大，主要是轉角正方形結構存在轉角，所受阻力大，流程大且復雜；正方形排列的管束的換熱效果最差，但其管間空間較大、排列整齊、拆卸方便且不易結垢。殷天明等[14]采用雙向耦合方法分析了不同排列方式及換熱管數量的管束振動特性，發現正三角形排列比正方形排列結構的管束更加穩定，更難發生流體不穩定的情況。

管束排列方式不同會對流體在殼程的流動與傳熱產生不同的影響，目前常用的排列方式是正三角形，其傳熱效率高，結構緊湊，但同時沿程阻力較大，能耗損失較大，還需要進一步研究管束排列方式，降低能耗同時提升換熱效率。

2 流體特性對管殼式換熱器殼程流動傳熱特性研究

流體以不同的速度、壓力及溫度等狀態在管殼式換熱器殼程流動時，其流動傳熱特性也會有差異，尤其是流體進口流速對換熱特性產生較大的影響，流體的熱物性改善也被相關學者進行了研究。本文著重對流體不同的進口速度對管殼式換熱器流動傳熱特性影響的研究現狀進行綜述。

2.1 流體進口速度

流體以不同的進口速度進入殼程流動，其在殼程的流動及傳熱程度不同，流體的速度影響流量，且使流體在管束及支撐結構間擾動更劇烈，換熱更加充分，流體的停留時間也縮短了。

孫立勇等[13-14]采用數值模擬研究了流體不同進口速度對換熱的影響，將換熱器進口流速分別設置為0.4、0.45、0.5、0.55、0.6 及0.65 m/s，得到不同進口流速下的溫度場分布圖。隨著流體進口速度增加，其單位時間內通過流量越大，流體速度梯度也越來越大，湍流程度增強，殼程流體與換熱管束接觸地更加充分，流體混合程度也增強，換熱系數也提高了。

邵宇軒等[15]對不同進口流體速度進行數值模擬研究，在相同折流板間距下，設置進口流體速度分別為0.5、0.6 m/s。當管殼式換熱器殼程進口流體速度增大時，折流板后方的高溫區域變小，殼程的傳熱“死區”范圍減小，單位時間內流入換熱器的流量增加，流體擾流更加激烈紊亂，增強了流體的流動與傳熱。

金立鵬[2]采用數值模擬折流板轉角及殼程進口流速對殼程出口溫度和壓降的影響。當折流板轉角度數相同時，隨著流動速度增大，殼程流體湍流程度增加，但冷熱流體接觸的時間減少，換熱量隨之減少，殼程的出口溫度會隨之增加，同時流體的壓降大幅度增加。

江竹等[16]研究了在流體不同入口流速條件下，管殼式開孔折流板與未開口折流板殼程流場的數值模擬情況，設置流體速度分別為0.4、0.8、1.2 m/s。隨著流體入口速度增大，折流板背部滯留區域也不斷增大，開孔折流板比未開孔折流板更有效地減少了滯留區面積，有利于流場的溫度場及壓力場均勻分布，對提高換熱器的傳熱效率具有促進作用。郭夢軍等[9]采用數值模擬了單弓形、雙弓形和圓環-圓盤三種形式的折流板在不同殼程進口流速下的流動傳熱特性。換熱器的壓降與換熱系數隨著流體殼程進口流速增大而增大。

通過相關學者的研究發現，流體以不同流速進入殼程，隨著速度的增大，流體在殼程內的擾動程度更加劇烈，與換熱管束接觸更加充分，減少了殼程傳熱“死區”的范圍，增加了出口溫度及壓降，但顯著提高了傳熱系數。目前研究比較單一，不同的管束支撐結構形式及管束排列方式也會對流體的流速產生影響，從而影響流體的流動與換熱，未來需綜合研究流體入口速度對殼程流動傳熱的影響。

3 結語

通過綜述了殼程結構及流體特性兩方面對管殼式換熱器殼程流體流動傳熱特性的影響及研究現狀后發現，目前管殼式換熱器殼程流體流動傳熱特性研究方法主要以數值模擬為主，殼程結構中管束支撐結構以折流板研究居多，不同的殼程結構對流體的流動傳熱影響不同，其換熱機理也有差異。

（1）換熱管外表面翅片數量、間距、傾角及厚度等都會對流體的流動阻力及換熱性能產生影響。目前研究比較單一且未來需要綜合各方面的影響因素進行研究，尤其不能忽略流體的表面張力及接觸角。

（2）換熱管束支撐結構形式對殼程流體的壓降、阻力及傳熱系數的影響至關重要，合理的管束排列方式及支撐結構可以減少流體壓降，使結構更加緊湊。未來需進一步優化管束支撐結構及管束排列方式，使之降低能耗同時提升換熱系數。

（3）隨著殼程流體進口速度增加，流體在殼程流動更加劇烈，換熱更加充分，顯著提升了換熱系數，但忽略了其他結構因素的影響。未來需結合殼程結構尋找最佳流體進口速度。