換熱器強(qiáng)化傳熱方法及研究進(jìn)展

曹玉哲 竇連城

摘 要：管殼式換熱器的應(yīng)用領(lǐng)域非常廣泛，對(duì)其進(jìn)行 強(qiáng)化傳熱方面的研究具有顯著的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效 益，不僅符合國家對(duì)企業(yè)節(jié)能減排的要求，而且能 夠降低企業(yè)的生產(chǎn)成本。無論換熱器的管程還是殼 程強(qiáng)化傳熱技術(shù)，都會(huì)朝著結(jié)構(gòu)簡單、傳熱效率高 的方向發(fā)展。

關(guān)鍵詞：換熱器；強(qiáng)化；傳熱

《“十二五”節(jié)能減排綜合性工作方案》明確提出，到2015年，全國萬元國內(nèi)生產(chǎn)總值能耗下降到0.869噸標(biāo)準(zhǔn)煤；“十二五”期間，實(shí)現(xiàn)節(jié)約能源6.7億噸標(biāo)準(zhǔn)煤。主要實(shí)施的措施是調(diào)整優(yōu)化產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)，加快淘汰落后產(chǎn)能，推動(dòng)傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)改造升級(jí)，加快節(jié)能減排技術(shù)開發(fā)和推廣應(yīng)用，重點(diǎn)推廣高效換熱器等節(jié)能減排技術(shù)。

我國石化行業(yè)的換熱設(shè)備以管殼式換熱器為主，而且傳統(tǒng)弓形折流板換熱器占到總量的70%～80%。弓形折流板換熱器固然有其優(yōu)點(diǎn)，并在產(chǎn)業(yè)節(jié)能方面做出了巨大貢獻(xiàn)，但在新的節(jié)能減排形勢(shì)下，其缺點(diǎn)（壓降大、存在大量流動(dòng)死區(qū)、振動(dòng)大、傳熱效率低等）嚴(yán)重限制了自身的生存和發(fā)展空間，同時(shí)也推進(jìn)了強(qiáng)化傳熱理論和換熱器的發(fā)展。

一、強(qiáng)化傳熱理論的工程應(yīng)用

根據(jù)強(qiáng)化傳熱理論，在管的兩側(cè)范圍內(nèi)，需要增大傳熱系數(shù)較小的一側(cè)才能有效改進(jìn)總傳熱系數(shù)。由于無法確定所有工況下，需要增大管內(nèi)或管外的傳熱系數(shù)以得到最高的總傳熱系數(shù)，因此，強(qiáng)化傳熱理論在工程中的應(yīng)用不是單一的模式，而是呈現(xiàn)出3種趨勢(shì)，即對(duì)管內(nèi)、管外、管束整體的強(qiáng)化傳熱。無論是那種類型的強(qiáng)化傳熱結(jié)構(gòu)，都已經(jīng)細(xì)化出許多更新類型，且其適用的工作環(huán)境和強(qiáng)化效果各異。

管程強(qiáng)化傳熱高效強(qiáng)化傳熱管的研究一直是傳熱領(lǐng)域最活躍和最有生命力的重要研究課題。管程強(qiáng)化傳熱技術(shù)可歸結(jié)為兩個(gè)方面，其一是改變換熱管形狀以加大管程流體湍流程度或傳熱面積，如螺紋管、伸縮管、波紋管、翅片管等，其中研究較多、較典型的是螺紋管和翅片管；另一種是管內(nèi)插物，用來增強(qiáng)管程湍流程度，常見的有管內(nèi)插紐帶、繞絲花環(huán)等，其中，內(nèi)插紐帶由于制造簡單，傳熱效果優(yōu)良，得到了國內(nèi)外研究人員的廣泛認(rèn)定。

（一）螺紋管換熱器

1964年，蘭州石油機(jī)械研究所的螺紋管軋制成功，國產(chǎn)換熱器中開始采用螺紋管；1965年，蘭州石油機(jī)械研究所研制的螺紋管換熱器在蘭州煉油廠應(yīng)用取得成功；20世紀(jì)80年代，在南京煉油廠常減壓裝置中開始大面積推廣應(yīng)用螺紋管換熱器，取得了良好效果。過數(shù)值模擬研究，李占峰等發(fā)現(xiàn)在湍流工況下，隨著流速的增加，換熱器性能越好。模擬使用的螺旋槽管平均Nu數(shù)大約是光管的1.6～2.1倍，阻力系數(shù)大約是光管的1.5～4.5倍。通過對(duì)該管型污垢的試驗(yàn)研究，曾力丁等發(fā)現(xiàn)螺紋管可用于預(yù)防或減輕污垢的堆積。試驗(yàn)結(jié)果表明，螺紋管的熱阻是光管的52%～88%，努塞爾數(shù)是光管的1.8倍。當(dāng)流體流速從0.25m/s增加到0.75m/s，污垢熱阻將減小66.7%。

（二）翅片管換熱器

翅片管是1971年由美國人首先提出來，后經(jīng)過日本、前蘇聯(lián)等國進(jìn)行了大量研究工作，不斷完善而成的一種換熱元件。翅片管是由光管外接翅片制成，其連接部分可以采用焊接和脹接等方式。該結(jié)構(gòu)既增大了傳熱面積，又造成了強(qiáng)烈的擾動(dòng)，起到了提高雷諾數(shù)和減小邊界層厚度的作用，多用于殼程熱阻較大的情況。翅片可按截面形狀分為矩形、花瓣形、T形、釘翅等。其中，某些類型的釘翅管甚至可以利用翅片相互支撐，而取消折流板。在此基礎(chǔ)上，近幾年國內(nèi)外研究人員相繼提出了一種異型釘翅管。異型釘翅管的結(jié)構(gòu)是在光管外交錯(cuò)排列許多釘翅。試驗(yàn)表明，與光管相比，異型釘翅管的傳熱系數(shù)和努塞爾數(shù)均有極大提高，分別為100倍和65～105倍；與其他翅片管相比，其傳熱效果最佳，是較理想的換熱管，應(yīng)用潛力巨大。

（三）管內(nèi)插扭帶換熱器

管內(nèi)插扭帶最早是波蘭人 A.Klaczak 于 1964 年提出并進(jìn)行試驗(yàn)研究的一種高 效傳熱元件，由薄鋼板條扭曲而成。通過在管內(nèi) 插入扭曲帶產(chǎn)生渦流，加強(qiáng)了流體近壁面和中心 區(qū)域的混合，從而達(dá)到強(qiáng)化傳熱的目的。因其 卓越的穩(wěn)定性、簡單的構(gòu)造及易于裝配等特點(diǎn)，已 經(jīng)被國內(nèi)外研究人員廣泛試驗(yàn)和討論。在文獻(xiàn)中，研究人員對(duì)光管內(nèi)插扭帶進(jìn) 行試驗(yàn)。試驗(yàn)中使用兩種扭帶：普通扭帶和順時(shí)針、逆時(shí)針方向相接的扭帶。結(jié)果表明，在雷諾數(shù)為 3000 ～ 27000 范圍 內(nèi)，后者表現(xiàn)出更高的傳熱率、摩擦系數(shù)及強(qiáng)化傳 熱系數(shù)。此外，兩者的努塞爾數(shù)比光管分別大 12.8% ～41.9%27.3%～90.5%。

研究者在紐帶外套擾動(dòng)線圈，增強(qiáng)了管內(nèi)氣體的湍流程度。試 驗(yàn)表明，在雷諾數(shù)為 3000 ～ 18000 范圍內(nèi)，和光管 相比，外套線圈的扭曲帶換熱管的強(qiáng)化傳熱效果 是單獨(dú)使用線圈或扭曲帶的 2 倍。而且，扭曲帶 扭曲程度越高、線圈排布越密，傳熱效果越好。

二、殼程強(qiáng)化傳熱

在殼程介質(zhì)為液體的工況下，傳統(tǒng)弓形折流 板換熱器的流體流動(dòng)阻力和振動(dòng)較大，能量損失 嚴(yán)重，因此，殼程強(qiáng)化傳熱顯得尤為重要。近年 來，人們采用了各種各樣的折流支撐結(jié)構(gòu)來改善 殼程流體的強(qiáng)化傳熱，常用的方式有：異形折流板（花隔板、螺旋折流板、整圓折流板、螺旋葉片、折流桿等）及殼程內(nèi)插物（扭曲帶、空心環(huán)）等。一般認(rèn)為螺旋折流板、殼程扭曲帶結(jié)構(gòu)優(yōu)于 其他結(jié)構(gòu)，而引起較多業(yè)內(nèi)人士的關(guān)注。

（一）螺旋折流板換熱器

螺旋折流板換熱器 是 20 世紀(jì) 80 年 代末由美國科研人員提出的，1994 年由美國 ABB 公司首先實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)業(yè)化；國內(nèi)對(duì)其研究和開發(fā)始 于 20 世紀(jì) 90 年代，1998 年國內(nèi)第一臺(tái)單殼程螺 旋折流板換熱器首次應(yīng)用于撫順石油二廠煉油裝 置，取得良好效果。該結(jié)構(gòu)是將多塊 1 /4 橢圓扇 形平板首尾相互連接，使其一個(gè)直邊垂直于軸線、圓心位于軸線上且圓周緊貼筒體內(nèi)壁，另一個(gè)直 邊與軸線在其構(gòu)成的平面內(nèi)呈一定角度（25° ～ 40°），從而總體上形成近似螺旋面，使殼程流體以 螺旋狀流動(dòng)。與傳統(tǒng)弓形折流板換熱器相比，殼 程流體流動(dòng)方式的改變使其具有殼程壓力損失 小，單位壓降下殼程傳熱系數(shù)高等諸多優(yōu)點(diǎn)。

（二）鍋內(nèi)對(duì)螺旋折流板

進(jìn)入 21 世紀(jì)，國內(nèi)對(duì)螺旋折流板換熱器進(jìn)行 了深入研究。王晨等利用先進(jìn)的 PIV 激光粒 子圖形測(cè)速技術(shù)，對(duì)螺旋折流板換熱器進(jìn)行研究。結(jié)果表明，由于螺旋折流板的存在，殼程流體流動(dòng) 方向與軸線呈一定角度，流體斜向沖刷換熱管及 折流板，減小了管束的震動(dòng)和死區(qū)。而且，管間流 場(chǎng)存在著沿軸線方向波動(dòng)的徑向速度，這可以增 加流體的擾動(dòng)，減薄邊界層的厚度，有利于增大傳 熱系數(shù)。

雖然螺旋折流板很好地改善了傳統(tǒng)弓形折流 板換熱器的缺點(diǎn)，但其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)決定了折流板無 法達(dá)到無縫連接，結(jié)果是一部分流體在縫隙較大 處近似平行軸線流動(dòng)，無法進(jìn)行螺旋流動(dòng)和強(qiáng)化 傳熱，而造成無法挽回的損失，這一問題已引起國 內(nèi)外學(xué)者的討論。目前，對(duì)連續(xù)型螺旋折流板換 熱器的研究已被提上日程。謝洪虎等對(duì)連續(xù)折流板換熱器進(jìn)行了數(shù)值模擬，并得 到了連續(xù)型螺旋折流板的螺旋節(jié)距 L 與螺旋折流 板管殼式換熱器強(qiáng)化傳熱效果變化規(guī)律的關(guān)系和 最佳螺紋節(jié)距。

結(jié)束語

無論換熱器的管程還是殼 程強(qiáng)化傳熱技術(shù)，都會(huì)朝著結(jié)構(gòu)簡單、傳熱效率高 的方向發(fā)展。在今后換熱器強(qiáng)化傳熱技術(shù)的發(fā)展方 向上，筆者在此有幾點(diǎn)展望：在不增加流體流阻的 條件下提高換熱器的傳熱效率；在保證換熱器結(jié)構(gòu) 緊湊的條件下增加有效傳熱面積；在保證換熱器有 較高的使用壽命的條件下使其具有較低的生產(chǎn)成本。

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（作者單位：青島理工大學(xué)）