縱流式換熱器結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究進(jìn)展

王麗麗 馬貴陽(yáng)

摘 要：介紹了世界范圍內(nèi)縱流式換熱器的研究現(xiàn)狀。從管、殼程兩方面闡述了換熱器結(jié)構(gòu)改進(jìn)及強(qiáng)化傳熱機(jī)理。列舉了換熱器殼程中用于支撐管束的整圓形板支撐、花格板支撐、折流桿式支撐和螺旋折流片支撐。分析了不同結(jié)構(gòu)優(yōu)化下縱流式換熱器的傳熱系數(shù)、壓力損失和抗誘導(dǎo)振動(dòng)能力等特點(diǎn)。最后對(duì)縱流式換熱器的發(fā)展前景進(jìn)行了展望。

關(guān) 鍵 詞：縱流式換熱器；強(qiáng)化傳熱；結(jié)構(gòu)優(yōu)化；發(fā)展前景

中圖分類號(hào)：TK172 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1671-0460（2016）08-1937-04

Abstract： The research status quo of worldwide heat exchangers with longitudinal flow was introduced. Structural improvement and heat transfer enhancement mechanism of the heat exchangers were discussed from two aspects of tube pass and shell pass. Circle orifice plate supports， checkered plate supports， rod baffle supports and helical baffle supports for supporting the tube bundle in shell side were enumerated. The heat transfer coefficient of longitudinal flow heat exchangers after structural optimization was analyzed as well as pressure loss， induced vibration resistance and so on. At last， developing prospect of the longitudinal flow heat exchanger was presented.

Key words： heat exchanger with longitudinal flow； heat transfer enhancement； structure optimization；development prospect

目前，先進(jìn)的熱交換技術(shù)已在能源、動(dòng)力、化工等很多領(lǐng)域得倒廣泛應(yīng)用。很多國(guó)內(nèi)外科研人員熱衷于換熱器的強(qiáng)化傳熱、減小壓降和提高綜合性能的研究，并獲得大量的科研成果。強(qiáng)化傳熱技術(shù)是提高換熱器效率的主要措施，如強(qiáng)化傳熱管、管內(nèi)插入物和新型管束支撐等。傳統(tǒng)的管殼式換熱器具有選材范圍廣、制造成本低、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、使用可靠、應(yīng)用技術(shù)成熟等優(yōu)點(diǎn)。尤其在處理量大、高溫高壓等工況下，更能突顯出管殼式換熱器特有的優(yōu)點(diǎn)。但傳統(tǒng)的管殼式換熱器一般采用光滑圓管作為傳熱元件，弓形折流板支撐管束。殼程流體流動(dòng)時(shí)會(huì)形成流動(dòng)和傳熱死區(qū)，從而減小傳熱系數(shù)[1]。橫向流動(dòng)的殼程流體沖刷換熱管束，產(chǎn)生較大的壓力損失，特別是當(dāng)雷諾數(shù)較大時(shí)，換熱管束易激發(fā)流體的誘導(dǎo)振動(dòng)，而降低換熱管束的使用壽命，因此有必要進(jìn)行改進(jìn)。

20世紀(jì)70年代的國(guó)外學(xué)者首次設(shè)計(jì)出了折流桿換熱器。它以折流桿取代傳統(tǒng)的折流板來(lái)支撐管束，所產(chǎn)生的自由流道使殼程流體做平行與管軸的縱向流動(dòng)。不但有效地避免了流體誘導(dǎo)振動(dòng)，而且在不增加泵功率的情況下即可實(shí)現(xiàn)強(qiáng)化傳熱。至此以后，縱流式換熱器逐漸受到重視，世界各地的學(xué)者在此方面進(jìn)行了大量研究，并取得了顯著的成果。

1 縱流式換熱器結(jié)構(gòu)發(fā)展

1.1 強(qiáng)化管型縱流式換熱器

早期的縱流式換熱器采用光滑圓管。為提高管程的傳熱效率， 近些年來(lái)國(guó)內(nèi)外學(xué)者先后研制出了橫紋（槽）管[2]、螺旋槽管[3]、縮放管[4]、波紋管和螺紋管[5]等高效換熱管。雖然結(jié)構(gòu)不同，強(qiáng)化機(jī)理卻十分相似：將普通圓管進(jìn)行工業(yè)滾軋，使管壁上形成有規(guī)律或者無(wú)規(guī)律分布的凸肋和凹槽結(jié)構(gòu)。當(dāng)管壁內(nèi)外流體流經(jīng)橫向凸肋和凹槽時(shí)，在管壁處形成漩渦，增強(qiáng)了流體的擾流作用，流體與管壁之間的邊界層變薄，導(dǎo)熱熱阻減小，從而使換熱效果增強(qiáng)。

1.2 整圓形板支撐的縱流式換熱器

整圓形折流板換熱器[6]，實(shí)現(xiàn)了殼程內(nèi)的流體由橫向流動(dòng)轉(zhuǎn)變成縱向流動(dòng)，折流板上的開孔面積相對(duì)較小，當(dāng)流體流經(jīng)管孔時(shí)，沿管壁會(huì)產(chǎn)生貼壁射流作用，射出的流體流速很快，會(huì)對(duì)周圍流體產(chǎn)生卷吸作用而發(fā)生混流，并在一定跨距內(nèi)沖刷管束，減薄液體邊界層，既強(qiáng)化了傳熱，又有除垢的作用?！按蠊芸住闭哿靼迨亲钤绯霈F(xiàn)的管束支撐形式，如圖1（a）所示。折流板設(shè)上有比管徑大的圓孔，圓心與管軸共線，這樣殼程流體就可以通過管外徑與大孔徑的間隙，使流體成縱向流動(dòng)，減小了傳熱死 區(qū)，但同時(shí)換熱管沒有相應(yīng)的支撐，又增大了其誘導(dǎo)振動(dòng)的機(jī)率。如圖1（b）所示，“小圓孔”整圓形折流板換熱器中，孔板上孔徑等于管外徑，在孔橋上增加了小圓孔，流體沿小圓孔流經(jīng)孔板，減少了流體誘導(dǎo)振動(dòng)的幾率，但該結(jié)構(gòu)的流通面積太小，殼程流體流動(dòng)時(shí)，阻力太大，且存在流動(dòng)死區(qū)。異性開孔可以解決上述難題，如圖1（c）和（d）所示的矩形孔和梅花孔。此類型的孔板在保證殼程流體流動(dòng)通道的前提下，還能給換熱管提供支撐作用。如圖1（e）所示，網(wǎng)狀整圓形折流板能使得殼程流體以縱向流過折流板，能夠有效避免折流引起的傳熱死區(qū)，還能減小殼程壓降。盡管上述整圓形折流板優(yōu)點(diǎn)很多，但其多孔結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，不易加工，生產(chǎn)成本比較高，因此不能大規(guī)模的應(yīng)用到工業(yè)生產(chǎn)的各個(gè)領(lǐng)域中，尤其是那些收益不是很高的粗放型的產(chǎn)業(yè)當(dāng)中。

1.3 花格板支撐的縱流式換熱器

花格板支撐是華中科技大學(xué)黃素逸等[7]在整圓形隔板的基礎(chǔ)上提出的一種新型的殼程支撐結(jié)構(gòu)。如圖2所示，在整圓形隔板的四個(gè)象限中的某一象限或二到三個(gè)象限內(nèi)設(shè)管孔，用來(lái)支撐管束，其余象限則是空的，或者設(shè)有大孔，作為流體的流動(dòng)甬道，每一組花格板以一定的旋轉(zhuǎn)角度交錯(cuò)布置。雖然花格板[8]支撐犧牲了一定的擾流強(qiáng)度，但同時(shí)減小了折流板背后的流動(dòng)死區(qū)，而且殼程壓力損失較小，明顯的節(jié)省了泵功。

遼寧石油化工大學(xué)郭土[9]研究了一種新型支撐結(jié)構(gòu)的換熱器——六分花格板換熱器，如圖3所示，通過建立物理模型，采用數(shù)值模擬的方法對(duì)其流動(dòng)和傳熱性能進(jìn)行了研究，分析結(jié)果表明，六分花格板在工藝制作簡(jiǎn)單方便的基礎(chǔ)上，有效的降低管殼式換熱器殼程壓降，保證對(duì)換熱管的支撐及對(duì)殼程流體的擾流作用，強(qiáng)化傳熱效果。

1.4 折流桿式支撐的縱流式換熱器

為了解決換熱器殼程內(nèi)部管束振動(dòng)的問題，20世紀(jì)70年代美國(guó)菲利普公司首次開發(fā)完成了折流桿支撐換熱器的研究，又稱為折流柵，由相互平行的若干折流桿焊接在一個(gè)折流圈上而成。四個(gè)折流柵為一組，每組包括兩個(gè)橫柵和兩個(gè)縱柵，縱橫交錯(cuò)，構(gòu)成鼠籠式支撐結(jié)構(gòu)。鄭州大學(xué)劉敏珊等[10]也設(shè)計(jì)出了節(jié)能型折流桿結(jié)構(gòu)，并在很多領(lǐng)域得到應(yīng)用。實(shí)踐結(jié)果表明[11]，當(dāng)殼程流體流速達(dá)到一定值時(shí)，流體流過折流桿，產(chǎn)生卡曼渦街和文丘里效應(yīng)，增強(qiáng)了擾流作用；圈、桿產(chǎn)生的漩渦和湍流使管程表面的液模變薄，減小了傳熱熱阻；傳熱面積得倒充分利用，基本上消除了傳熱死區(qū)等。但桿式支撐在雷諾數(shù)較小或流速較低時(shí)綜合性能并不明顯，并且在劇烈震動(dòng)的情況下，流體的誘導(dǎo)振動(dòng)致使換熱管束失效的可能性較高。

胡明輔、楊波濤等[12]研究了一種新型結(jié)構(gòu)——扁桿抗振柵。這種抗震結(jié)構(gòu)將圓鋼型的折流桿換用扁鋼支撐條，扁鋼形支撐條牢牢夾住換熱管束，從而使管束和折流板間的接觸方式由最初的“點(diǎn)接觸”轉(zhuǎn)變成了“線接觸”，因此，抗振柵的抗振性能更優(yōu)。

折流桿換熱器的布管方式通常選用正方形，相比于三角形布管方式，前者單位面積內(nèi)的換熱面積較小。為了節(jié)約投資和不影響生產(chǎn)工藝，華東理工大學(xué)嚴(yán)良文、王志文等[13]開發(fā)出了波形折流桿換熱器，該結(jié)構(gòu)在傳統(tǒng)的折流桿支撐的基礎(chǔ)上，用波形桿代替直桿，克服了折流桿支撐中正方形布管松散的缺陷，使結(jié)構(gòu)更加緊湊。傳熱性能更優(yōu)于折流直桿和折流扁桿換熱器，在工業(yè)生產(chǎn)過程中，也取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益。

鄭州大學(xué)古新[14]設(shè)計(jì)出一種新型殼程支撐結(jié)構(gòu)——簾式折流片換熱器，即斜向流管殼式換熱器。該類型的折流柵由若干個(gè)平行放置，形狀較為特殊，且與管束軸線成一定夾角，兩端焊接在折流圈上的折流片組成。折流柵在殼程內(nèi)等間距布置，有著支撐管束的作用。殼程流體的斜向流動(dòng)，既減少了流體橫向流動(dòng)時(shí)速度變化劇烈而導(dǎo)致的有效能量的損失，又因?yàn)闄M向流對(duì)管子的強(qiáng)烈沖刷使得邊界層變薄，進(jìn)而增大了傳熱效率?？傮w上的縱流趨勢(shì)，兼?zhèn)淞丝v流式折流板換熱器的諸多優(yōu)點(diǎn)，如抗誘導(dǎo)能力強(qiáng)，殼程流動(dòng)阻力少，不易結(jié)垢，綜合性能好等優(yōu)點(diǎn)。鄭州大學(xué)劉兵在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了深入研究，得出了在三角形布管方式下，折流柵按照對(duì)稱和同向兩種方式裝配、折流柵間距和折流片傾角大小，對(duì)于壓降、傳熱系數(shù)和綜合性能的影響。

1.5 螺旋折流片支撐的縱流式換熱器

螺旋折流板換熱器是將傳統(tǒng)的弓形折流板換成螺旋狀或者近似螺旋狀的折流板，每塊折流板也換熱器殼體橫截面有一個(gè)傾斜角，使殼程流體沿螺旋通道自殼程進(jìn)口向出口呈螺旋狀推進(jìn)，通過調(diào)整不同角度來(lái)調(diào)整流通截面，進(jìn)而可以提高流體流速。流體在殼體內(nèi)呈螺旋狀前進(jìn)，有效減小了流動(dòng)死區(qū)，又可防止結(jié)垢。

螺旋折流板可分為連續(xù)和非連續(xù)兩種類型。連續(xù)型螺旋折流板采用連續(xù)螺旋狀支持板支撐換熱管，使殼程流體沿甬道斜向前進(jìn)，同時(shí)兼?zhèn)淞丝v向流和橫向流的優(yōu)點(diǎn)[15]。但由于螺旋曲面制造工藝復(fù)雜、造價(jià)較高，目前用于實(shí)際生產(chǎn)的大多都是非連續(xù)的螺旋折流板[16]，如圖4 所示。這種折流板采用多個(gè)扇形折流板在換熱器殼程按照一定得角度搭接而成，制造工藝簡(jiǎn)單、造價(jià)低，從圖中可以看出這種形式的螺旋流由橫向和縱向兩種流動(dòng)混合而成，這是因?yàn)檎哿靼宕罱拥闹虚g會(huì)有一定得空隙。從效果來(lái)看，橫向流動(dòng)能夠破壞換熱管外表面的邊界層，縱向流動(dòng)能夠提高換熱管的傳熱推動(dòng)溫差，這樣就能達(dá)到強(qiáng)化傳熱的目的。實(shí)驗(yàn)證明[17]，非連續(xù)型螺旋折流板換熱器比弓形折流板換熱器的對(duì)流換熱系數(shù)和總傳熱系數(shù)均有提高。

2 縱流式換熱器發(fā)展前景

縱流式換熱器自出現(xiàn)以來(lái)就體現(xiàn)出了良好的流體力學(xué)特性和抗振性能，但其自身仍存在很多不足，如在殼程壓降減小的同時(shí)會(huì)犧牲部分的傳熱效率。因此，設(shè)計(jì)出壓降損失一定的同時(shí)換熱效率能相應(yīng)增大的管殼程結(jié)構(gòu)是今后研究的重要方向。

（1）縱流式換熱器殼程內(nèi)的管束支撐物空隙較大，對(duì)自由甬道內(nèi)的流體流速的擾流作用小，只有在大雷諾數(shù)的工況下才能顯現(xiàn)出優(yōu)越的換熱效果，因此開發(fā)新型支撐結(jié)構(gòu)的縱流式換熱器，使其在低雷諾數(shù)下仍具有較高換熱性能，同時(shí)其結(jié)構(gòu)要不斷簡(jiǎn)單化，成本低廉化，以期達(dá)到更好的經(jīng)濟(jì)效果。

（2）斜流式換熱器中，流體在殼程中流動(dòng)時(shí)被分散為多股受迫傾斜流動(dòng)，消除了部分流動(dòng)死區(qū)，主流區(qū)的縱向流動(dòng)和局部的橫向流動(dòng)相結(jié)合，有效克服了折流板換熱器殼程流體流動(dòng)壓降過大和折流桿換熱器低雷諾數(shù)工況下傳熱性能不佳的缺點(diǎn)。對(duì)新型斜流式換熱器的支撐結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，有著重大的理論意義及工業(yè)應(yīng)用價(jià)值。

（3）上述各種單項(xiàng)強(qiáng)化傳熱技術(shù)都存在一定的弊端，所以進(jìn)一步提高縱流式換熱器的綜合性能，復(fù)合強(qiáng)化傳熱技術(shù)也將成為日后強(qiáng)化結(jié)構(gòu)的研究方向。對(duì)于不同的強(qiáng)化管和不同的殼程支撐結(jié)構(gòu)的組合，換熱效果會(huì)有差異，適用的工藝條件也有待于進(jìn)一步試驗(yàn)確定，其壓降和傳熱的綜合性能也有待實(shí)驗(yàn)測(cè)定。

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