管壳换热器传热特性研究

管壳换热器传热特性研究

陈晓君

东莞市大江节能机械设备有限公司     广东省东莞市     523000

摘要：全球资源的短缺和日益恶劣的环境问题促使人们开发更有效的热能设备用来节约能源。管壳换热器是热能再利用的重要装备，可以有效地回收利用工业余热。换热器作为工业生产中进行热交换操作的通用设备，广泛应用于化工、电力、冶金、航空、动力、食品等工业部门中，特别在石油炼制及化学加工装置中占有重要地位。近几十年来，由于对节约能源和环境保护的重视，换热器的需求量不断增大，针对换热器强化传热技术的研究也得到广泛关注。在过程工业中，管壳式换热器使用最多，具有结构简单、加工制造容易、耐压性强、适应能力广等优点，广泛应用于化工生产中，且设计资料和数据较为完善，技术比较成熟。

关键词：管壳换热器；传热特性

引言

管壳式换热器具有一系列优点，例如应用广泛、结构简单、成本低、易于清洗等，因此在石化、炼油等领域占据着重要地位。传统的弓形折流板换热器占总量的70%~80%，弓形折流板换热器固然有其优点，并为产业节能方面做出了巨大的贡献，但在新的节能减排形势下，其缺点（压降大、流动死区、易结垢、震动、传热效果差）严重的限制了其发展和生存的空间，为了节能降耗，提高换热器的传热效率，需要研发能够满足多种工业生产过程要求的高效节能换热器。因此，近年来，高效节能换热器的研发一直受到人们的普遍关注，国内外先后推出了一系列新型高效换热器。

1强化传热的研究

1.1管程强化传热

(1)螺旋槽纹管

螺旋槽纹管是一种外壁上形成凹槽，内壁上形成凸起的异型管。其强化传热机理主要表现在两个方面：一是管内流体在流动时，内表面的凸起使得过度区的层流在凸起的位置产生纵向涡流，即局部二次流，增加了流体的湍动特性；二是流体沿管壁轴向流动时，由于螺旋槽的作用，管内流体流动存在很大的形体阻力，产生逆向的压力梯度，使边界层分离，热阻减小。德国Hde公司的螺旋槽管，管内传热效率明显地优于光管，当2300

(2)缩放管

缩放管是由多节依次交接的渐缩段和渐扩段组成的。其强化传热方法是通过周期性的改变管内流体的速度和静压，使其在流过渐扩段时速度减小，静压增大，在流过渐缩段时正好相反。从而增加了管内流体的湍动程度，传热效果提高。

(3)横纹管

横纹管是将光管用螺旋压辊滚扎而成的，在管子内表面形成一圈圈突起的环肋，外表面形成凹槽。流体在流经环肋时就在管壁附近形成轴向漩涡，增强了流体边界层的扰动，减薄了边界层，利于传热。将横纹槽换热器用于原油加热，研究得出横纹槽管换热器的传热系数比同规格的普通光管提高85%，抗结垢能力亦优于普通光管。1990年长沙化工机械厂根据华南理工大学提供的工艺参数制造了一台横纹管换热器，在应用中与原设备相比，换热面积由614m2降至198m2，减少换热面积68%。设备直径由1600mm缩至800mm，直径缩小50%。设备重量由22t减轻至5.7t节省钢材74%。

(4)螺旋扁管

螺旋扁管是普通圆管为毛培，经压扁后扭曲而成的。正是这种扭曲的螺旋形结构，使管内流体呈螺旋状流动，提高了流体的湍流程度，且流体受离心力的作用速度反复发生变化，加强了流体的纵向混合。由兰州长征机械有限公司设计制造的螺旋扁管换热器，在兰州炼油厂被用于处理介质为原油、常四线油、减四、减五、减六线油及减渣等高粘度流体，较普通换热器的壳径降低1~2个等级，可节省投资约30%。

1.2壳程强化传热

1.2.1折流杆支撑

美国菲利普公司于20世纪70年代开发了折流杆换热器，这种结构最初是为解决管束的振动问题而开发的，它以支撑杆、折流环交叉支撑拉杆、分隔板和纵向滑动杆组成的折流栅代替折流板，使壳程流体做平行于管轴向的纵向流动，有效避免了流体诱导振动，减小了传热死区，减少了污垢沉积，壳程压降比折流板换热器明显减小。折流杆对换热管起支撑作用的同时，又增大了流体湍动，提高了壳程传热系数，这里，流体湍动程度的提高主要是借助流体流过折流环和折流杆时的文丘里效应和涡流来实现的。

1.2.2整圆形孔板

将开有不同形状孔的整圆形折流板代替了传统的弓形折流板，孔板上开有管孔和流体导流孔，流体流经导流孔时形成小孔或贴壁射流，对周围流体产生卷吸作用而发生局部混合，从而在较低雷诺数下使流体离开孔口后形成湍流，并减薄射流区域的传热边界层，既强化传热，又有抗垢和除垢作用，适用于中、低粘度流体及雷诺数不太大的场合。整圆形折流板的缺点是结构复杂，加工困难，制造成本高。传统的整圆形孔板有五种结构形式：大圆孔、小圆孔、矩形孔、梅花孔和网状。

1.2.3空心环支撑

空心环支撑是将直径较小的钢管截成两节，均匀分布于换热管管间的同一截面上，呈线性接触，在紧固装置螺栓力的作用下，使管束相对紧密固定。这种支撑方式的壳程空隙率大，对壳程流体的阻力较小，大幅减少了折流损失的流体输送功，将输送功用来提高管外换热系数，将其强化传热管结合使用可以提高壳程的综合传热强化性能。研究表明，当空心环与折流杆支撑同样的强化管束时，空心环能使管束获得更好的强化传热效果，但其扰流作用不如折流杆式支撑。目前，空心环支撑换热器主要用于国内硫酸等行业气-气换热过程。

2复合强化传热

复合强化传热技术是将两种或两种以上强化措施同时应用，以获得更高强化传热效果。针对复合强化传热研究已获得诸多关注，包括同时使用金属纽带及螺旋线对管内流体进行强化传热、使用纳米流体流经强化传热装置等。模拟了Al2O3/水纳米流体流经螺纹管的传热过程，结果表明添加2%和4%纳米粒子相对纯水传热系数提高21%和58%，同时使用两种强化方式相对纯水流经光滑管总传热系数增加330%。对Al2O3/水纳米溶液流经插入螺旋线圈换热管传热效果进行研究。发现在光滑管内，添加0.1%纳米粒子的流体相对蒸馏水努塞尔数提高12.24%（雷诺数Re=2275），在内管添加螺旋线圈纳米流体努塞尔数相对光滑管可提高21.53%，且纳米流体相对纯水压降并无明显增加。对Al2O3/水纳米流体流经不同螺旋角螺旋隔板进行研究，结果显示螺旋角越小，纳米流体传热系数及压降均增大。非牛顿纳米流体在弓形隔板光滑管换热器及螺旋翅片管换热器的实验对比，制备了质量分数为0.2%的黄原胶（XG）非牛顿流体，并在基液中添加多壁碳纳米管（MWCNTs）形成非牛顿纳米流体。在相同雷诺数下，非牛顿纳米流体在螺旋隔板翅片管换热器中壳程传热系数相对基液提高31.3%，弓形隔板光滑管换热器壳程传热系数提高18.3%。纳米流体在螺旋隔板和弓形隔板换热器中压降分别增加36.1%～52.6%和35.6%～41.1%，综合考虑整体性能，螺旋隔板翅片管换热器能够显著提高非牛顿纳米流体的传热性能。进一步对非牛顿流体在椭圆管螺旋隔板换热器中传热性能进行实验与数值研究，选用稳定性良好的3%质量分数的羧甲基纤维素水溶液作为非牛顿流体。结果发现与光滑圆管相比，椭圆管换热器单位面积传热量及壳程努塞尔数提高14.7%～16.4%和11.4%～16.6%，同时壳程摩擦因子减少29.2%～36.9%，表明椭圆管螺旋隔板换热器能显著提高非牛顿纳米流体的传热性能。复合强化传热技术相对单一方法具有更高的传热性能，随着强化传热技术的发展，许多换热器中已改用这一技术，但是对其复合方法的组合还需经过试验验证确认其有效性。

结语

管壳式换热器的发展总体上是支撑式的发展，从弓形折流板式支撑，到折流杆式支撑最后到管子的自支撑，随着壳程支撑结构的改变，管壳式换热器的壳程膜传热系数表现为连续提高的发展趋势，压降表现为不断降低的发展趋势，换热器的综合传热性能得到明显的提升。

参考文献

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［2］车德勇，沈辉，蒋文强，等．太阳能热发电机组蓄热堆积床放热性能数值模拟［J］．热力发电，2015，44(8):14－20．