1、淺談管殼式換熱器強化傳熱熱能1303梁略夭20132586隨著現代工業的迅速發展，以能源為中心的環境、生態等問題日益加劇。世界各國在尋找新能源的同 吋，也更加注重了節能新途徑的研發。強化傳熱技術的應用不但能節約能源、保護壞境，而且能大大節約 投資成本。換熱器由于其在化工、石油、動力和原了能等工業部門的廣泛應用，使得換熱器的強化傳熱技 術一直以來受到研究人員的重視，各種研究成果不斷涌現。管殼式換熱器又稱謂列筲式換熱器，是以封閉在殼體中筲束的壁血作為傳熱面的間壁式換熱器，結構 一般由管箱、殼體、管束、管板、折流板等部件組成。目前，國內外工業生產中所用的換熱設備中，管殼 式換熱器仍占主導地位，雖然它

2、在換熱效率、結構緊湊性和金屬材料消耗等方面，不如其他新型換熱設備， 但它具有結構堅固，操作彈性大，適應性強，可靠程度高，選材范圉廣，處理能力大，能承受高溫高壓等 特點，所以在工程中仍得到廣泛應用。管殼式熱器固然冇共優點，并為產業節能方面做出了巨大的貢獻， 但在新的節能減排形勢下，其缺點（圧降大、流動死區、易結垢、震動、傳熱效果差）嚴重的限制了其發 展和生存的空間，為了節能降耗，提高換熱器的傳熱效率，需要研發能夠滿足多種工業生產過程要求的高 效節能換熱器。因此，近年來，高效節能換熱器的研發一直受到人們的普遍關注，國內外先后推出了一系 列新型高效換熱器。目前傳統強化換熱的方法大體上可以分為三類，管

3、程強化傳熱，殼程強化傳熱，整體強化傳熱。管程強化換熱主要冇兩種方式，一是改變筲子形狀或者提高換熱血積，如：螺旋槽管、旋流管、波紋 管、縮放管、螺紋管等；二是增強管內的湍流程度，例如，管內設置各種形狀的插入物。其中，改變換熱 管設計的方式，如改變換熱管形狀，或加大管程流體的湍流程度、傳熱而積，貝體的設計對象包括波紋管、 伸縮管、翅片管等。而另一種類型包括管內插物的設計，及通過管內繞絲花環、紐帶等，實現管程的湍流 程度；相比較來說，在管內插物的形式執行簡單、效果較好、投資較少，是目前丄要應用的管程強化傳熱 形式。下而詳細介紹一下主要管程強化傳熱的換熱器特點。（1）螺旋槽管是通過專用軋管設備將圓管在

4、其表面滾壓岀螺旋線形的凹槽，管了內部形成螺旋線形凸 起，如圖1所示，管內介質流動時受螺旋線型槽紋的導向使靠近管壁的部分介質沿槽紋方向螺旋流動，這 就使得邊界層的厚度較大程度的減薄，提高換熱的效果；部分介質沿著壁面縱向運動，經過槽紋凸起處產 生縱向漩渦，促使邊界層分層，加速邊界層中介質質點的運動，進而加快了管壁處介質與主體介質的熱量 傳遞。圖1螺旋槽管fig.l spirally corrugated tube（2）波紋管是將管子加工成內外均呈連續波紋曲線的-種強化管，如圖2所示，使管子的縱向截而呈 波形，由相切的大小圓弧構成，管內流體的流動狀態不斷變化，使流體的湍流程度增加從而強化傳熱。主 要

5、適用于管內外介質有加熱、冷卻熱交換的場合，特點為傳熱效率高，這一特點是依靠獨特的傳熱元件 波紋管來實現的。波紋管特殊的波峰與波谷設計，使流體在關內外形成強烈擾動，大大提高了換熱管的 傳熱系數，其傳熱系數比傳統管式換熱器高2飛倍。波紋管在工作過程屮，一方面管內外介質始終處于高 度湍流狀態，另一方團內外介質產生溫度差，使得波紋管會產生微量的軸向伸縮變形，管內外的1山率會隨 之頻繁變化，山于污垢與污垢之間會產生拉脫力，所以使水垢破裂而自動脫落，從而不會產生污垢。（3）這種強化傳熱方法是基于管內插入物能使介質產生渦旋運動，如圖3所示，從而增強流體的徑向 混合，有助于介質速度和溫度均勻分布，以增強傳熱，

6、內插物管尤其對低雷諾數、高黏度流體的傳熱更為 有效。插入物的種類很多，如螺旋線、扭帶、螺旋片等，實驗表明，在層流換熱時，管內插入扭帶后，對 流傳熱系數可增大2飛倍根據間壁傳熱原理分析，傳熱效果相對較低一側在人程度上影響著換熱設備的換熱效率，而這一側通 常位于殼程，于是研究開發出了折流桿式、螺旋折流板式、曲面弓形折流板等換熱器。就目前來說，螺旋 折流板技術應用較為廣泛，且取得了較好的成果。螺旋折流板在構造上利用四分之-橢圓扇形平板進行首 尾相連，從而實現一個直角邊垂直于軸線、圓心位于軸線上的突出結構。在總體構造上呈現出螺旋形，促 使液體進入z后也以螺旋形方式流動，可以很好的減少殼程壓力損失。殼程

7、強化換熱的換熱器如下（1）折流桿換熱器主要是將殼程的折流板改用折流桿來固定管束，每根換熱管itl四根桿條從上下左右 四個方向固定，使管子在流體的作用下不易產生振動。圖4折流桿換熱需fig.4 rod baffle heat exchanger（2）螺旋折流板換熱器釆用若干塊1殼程截而的扇形板組裝成螺旋狀折流板，如圖5所示，使殼程 介質呈螺旋狀流動，其介質流動的返混較少，兒乎不存在死區，同時在離心力的作用下介質與換熱管接觸 后會脫離管壁而產生尾流，使邊界層分離充分，改善了傳熱效果，柑同流量條件f壓降最大可以降低45%； 同時螺旋折流板又能在較低壓降下使介質產生較人的流速，提高了雷諾數，從而使得傳

8、熱數顯著提高，傳熱系數可提高20%30%；圖5螺旋折流板換熱器fig.5 heat exchangers with helical baffles（3）曲而弓形折流板換熱器是一種新型管殼式換熱器，如圖6所示，折流板的曲面是圓弧而，每塊折 流板曲面外凸側朝向盍程流體進口，利用圓弧形折流板使被導流后的殼程流體流動曲線趨于光滑，并與介 質流通通道相一致，顯著改善殼程介質的流速分布情況，流動死區、傳熱死區明顯減少。圖6曲面弓形折流板換熱器fig.6 clin ed baffle heat exchanger整體強化通常是將管程和殼程強化聯合起來，從而取得更高的強化傳熱效果，例如，螺旋折流板波 紋管相結

9、合，或者折流桿與波紋管相結合等；還有一種就是通過改變管子形狀使得管殼程傳熱均得以強化， 例如，螺旋扁管換熱器、變截面管換熱器、交錯扁管換熱器等。新式的增強換熱方法有表而振動和流體振動，無論是高頻率還是低頻率振動，都主要用于增強單和流體 傳熱。英機理是振動增強了流體的擾動，從而使傳熱得以強化。雖然振動本身對強化傳熱有不小的貢獻，但 激發振動所需從外界輸入的能量可能會得不償失。為此山東大學研究表明，可利用流體誘導振動來強化傳 熱,依靠水流本身激發傳熱元件振動，會消耗很少的能量。利用流體誘導振動強化傳熱既能提高對流傳熱系 數，同時乂能降低污垢熱阻，即實現了所謂的復合式強化傳熱。由于換熱設備一般質量很

10、大，表而振動這種方 法難以應用，然后就出現了流體振動，該方法是振動強化中最實用的-種類型。所使用的振蕩發生器從擾流 器到圧電轉換器。主要用于單相流體的強化傳熱。超聲波在液體介質屮傳播時會產生機械作用，空化作用， 和熱作用。當這三種作用同時存在時，可以削弱垢的形成能力及英附著在金屬管道壁面的能力。管殼式換熱器的發展總體上是支撐式的發展，從弓形折流板式支撐，到折流桿式支掙最后到管子的口 支撐，隨著殼程支撐結構的改變，管殼式換熱器的殼程膜傳熱系數表現為連續提高的發:展趨勢，壓降表現 為不斷降低的發展趨勢，換熱器的綜合傳熱性能得到明顯的提升。（1）隨著計算流體力學和計算傳熱學的快速發展，數值模擬是對換熱器進行傳熱強化研究的實用工具, 能夠預測傳熱過程的影響因素，且方法簡單、效率高、費用低；（2）借助先進儀器，如激光測