管殼式換熱器強化傳熱技術概述

李兆南（北京華福工程有限公司天津分公司，天津　300222）

管殼式換熱器強化傳熱技術概述

李兆南（北京華福工程有限公司天津分公司，天津300222）

隨著社會經(jīng)濟不斷發(fā)展，人們對能源應用的多樣性也提出了更多的要求，客觀上提高了換熱器的設計水平需求，包括強化換熱過程、提高換熱效率、節(jié)約資源投入、提高經(jīng)濟效益等。其中管殼式換熱器具有結構簡單、操作可靠等優(yōu)勢，目前在我國化工、石油、冶金、航空等多個領域廣泛應用。本文以下結合近年來管殼式換熱器技術的發(fā)展進行研究，提出強化傳熱技術的必要性，從管程、殼程、管束等方面分析強化傳熱的特征，并提出管殼式換熱器發(fā)展趨勢。

管殼式換熱器；技術概述；強化傳熱；發(fā)展趨勢

管殼式換熱器（shell and tube heat exchanger）又被稱之為“列管式換熱器”，是一種通過封閉在殼體中管束壁面進行傳熱的間壁式換熱器，自出現(xiàn)以來廣泛第應用在工業(yè)生產(chǎn)體系中。雖然管殼式換熱器在結構緊湊型、換熱效率、金屬材料消耗方面與新型技術制造的換熱器相比存在劣勢，但這并不影響管殼式換熱器在換熱設備體系中的主體地位，其適應性強、可靠度高、結構堅固、選材范圍大等優(yōu)勢，很好的彌補了技術層面的不足。同時，管殼式換熱器已經(jīng)具有了相當成熟的理論體系和應用方案，儼然成為一項重要的傳熱學研究重點領域。

1　管殼式換熱器強化傳熱技術的必要性

近年來，伴隨著我國工業(yè)體系的不斷完善和人民生活水平的提高，換熱設備的應用領域也在增加，相應的，如何解決能源與經(jīng)濟發(fā)展的矛盾，就成了一個重要問題?！笆濉逼陂g，我國明確提出了節(jié)能減排的可持續(xù)性經(jīng)濟發(fā)展戰(zhàn)略，除了積極開發(fā)新型綠色能源應用之外，更重要的是減少以煤炭為基礎的能源利用形勢，加快社會產(chǎn)業(yè)結構調(diào)整，逐步淘汰落后產(chǎn)能，促使傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)的升級改造；而換熱器技術強化改進是一個重要的發(fā)展方向。

就目前來說，我國的工業(yè)行業(yè)中的換熱器設備以管殼式換熱器為主要形式，約占換熱器設備總量比例的70%，而這其中弓形折流板換熱器的數(shù)量達到70%以上，在傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)節(jié)能領域發(fā)揮著巨大的作用。但隨著全社會對節(jié)能減排、低碳經(jīng)濟要求的提高，傳統(tǒng)管殼式換熱器的弊端也逐漸凸顯，這其中傳熱效率低就是一個嚴重的技術短板；理論上說，換熱率越高，對能源的節(jié)約量也就越大，對能源節(jié)約的效果也就越明顯。因此，針對管殼式換熱器強化傳熱技術的研究十分必要。

2　強化傳熱技術理論及應用

傳熱理論是熱轉換設備中主要的研究內(nèi)容，結合管殼式換熱器來說，由于管內(nèi)和管外流體溫度的差異，在殼體、管束的溫度也不同。當溫度差異過大的時候，換熱器內(nèi)部就會產(chǎn)生較大的熱應力。但由于熱工設備的工況無法確定，需要增加管道內(nèi)外的傳熱系數(shù)，并促使其獲得更高的傳熱效率，結合管殼式換熱器構造來說，強化傳熱技術理論也并不是針對某一方面展開的，它包括了管程、殼程和管束三個部分。

2.1管程強化傳熱

針對管程強化傳熱技術的研究主要集中在傳熱管方面，目前也是最具有前景的研究課題?？傮w來說，管程強化傳熱技術的研究可以劃分為兩個方面，分別是改變換熱管設計和管內(nèi)插物。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、傳熱面積，具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(nèi)插物的設計，及通過管內(nèi)繞絲花環(huán)、紐帶等，實現(xiàn)管程的湍流程度；相比較來說，在管內(nèi)插物的形式執(zhí)行簡單、效果較好、投資較少，是目前主要應用的管程強化傳熱形式。

2.2殼程強化傳熱

在管殼式傳熱器體系中，殼程介質(zhì)以液體形式存在，傳統(tǒng)的弓形折流板換熱器所占比例較大，是強化傳熱研究的重點。由于弓形折流板換熱器內(nèi)部的流體阻力和振動較為明顯，因此導致能量損失較多。針對這一情況來說，在一定程度上提高弓形折流板換熱器強化傳熱，對節(jié)約能源具有重要的作用。

殼程強化傳熱技術應用的方式包括花隔板、螺旋折流板、折流桿等形式，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。這一技術出現(xiàn)在上世紀80年代，國內(nèi)介入較早，在構造上利用四分之一橢圓扇形平板進行首尾相連，從而實現(xiàn)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(xiàn)出螺旋形，促使液體進入之后也以螺旋形方式流動，可以很好的減少殼程壓力損失。

2.3管束強化傳熱

嚴格意義上說，管束強化傳熱屬于整體傳熱技術范疇，具有加工簡單、便于實現(xiàn)的優(yōu)勢，其中應用較多的兩種技術類型包括交錯扁管和扭曲扁管。

其一，交錯扁管。交錯扁管是近年來出現(xiàn)的一種新型技術，在市場上的覆蓋率并不高，在應用層面來說，與普通的管殼式換熱器結構保持一致，但由于內(nèi)部沒有折流板，不會出現(xiàn)介質(zhì)流動死區(qū)，因此大大節(jié)約了生產(chǎn)成本。此外，由于軸線方向上的慣性會促使管程流體和殼程流體質(zhì)檢的波浪形變化，可以獲得較強的攪動力，由此強化了傳熱效果。

其二，扭曲扁管。扭曲扁管類型的換熱器出現(xiàn)較早，上世紀80年代進入我國之后，成為提高強化傳熱的主要技術形式。其優(yōu)勢主要的體積小、節(jié)約材料，同時在管程和殼程內(nèi)形成的介質(zhì)螺旋流形式，可以防止污垢堆積。

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