殼管式換熱器強(qiáng)化傳熱技術(shù)研究進(jìn)展

徐 鵬，肖延勇

（海軍裝備部駐大連地區(qū)第一軍事代表室，遼寧大連 116001）

0 引言

殼管式換熱器具有耐高壓、密封性好、不易堵塞等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于石油、化工、核電、制藥、食品等工業(yè)領(lǐng)域。殼管式換熱器的強(qiáng)化換熱結(jié)構(gòu)和機(jī)理研究對(duì)實(shí)現(xiàn)高效換熱、提高能源利用率、節(jié)約投資成本具有重大意義。因此，國內(nèi)外學(xué)者對(duì)殼管式換熱器的強(qiáng)化傳熱技術(shù)進(jìn)行了深入地研究。

1 強(qiáng)化傳熱的主要方法

從傳熱學(xué)的角度分析傳熱過程可知，單位時(shí)間內(nèi)的傳熱量見式（1）[1]。

由式（1）可知，傳熱量Φ 與傳熱系數(shù)k、傳 熱面積A 和傳熱平均溫差Δt 有關(guān)，若要使傳熱量Φ 增加，可以從提高傳熱系數(shù)k、擴(kuò)大傳熱面積A和增大傳熱平均溫差Δt 的角度進(jìn)行分析。

1.1 提高傳熱系數(shù)k

在傳熱過程的熱阻方面，要提高總傳熱系數(shù)，則需要分析總熱阻由哪些分熱阻構(gòu)成，并找出占主要地位或份額較大的分熱阻，因?yàn)檫@一環(huán)節(jié)的分熱阻具有減小總熱阻的最大潛力，然后從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)或改變材料等方面設(shè)法強(qiáng)化傳熱，減小這一分熱阻，從而顯著提高傳熱系數(shù)。

1.2 擴(kuò)大傳熱面積A

橫紋槽管的試驗(yàn)測定表明，如果管內(nèi)的介質(zhì)為空氣（Re＝2.0×104～3.4×104），橫紋管較光滑管的換熱系數(shù)可提高約1.7 倍，壓降增加約2.2 倍。如果介質(zhì)為水（Re≈4 000），則這2 個(gè)參數(shù)可以分別提高約2.4 倍和2.7 倍[6]。

2.2.3 波紋管

波紋管是將光管加工成波紋形狀的翅片，強(qiáng)化傳熱機(jī)理是通過改變斷面使得弧形段內(nèi)壁處產(chǎn)生2 次反向性的擾動(dòng)，可以周期性地增加流體的擾動(dòng)，增強(qiáng)其湍動(dòng)性能，破壞了邊界層的熱阻層，從而可以有效增大傳熱系數(shù)。通常情況下，波紋管較普通的光管換熱器效率提高2 倍～3 倍。

龔波[7]利用FLUENT 軟件對(duì)波紋管管內(nèi)流體在湍流下的流動(dòng)與換熱情況進(jìn)行了數(shù)值模擬研究，探究了管內(nèi)流體流動(dòng)狀態(tài)和管道結(jié)構(gòu)對(duì)流動(dòng)阻力和換熱系數(shù)的影響，擬合出了流動(dòng)阻力與換熱系數(shù)的關(guān)聯(lián)式，并與試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證了數(shù)值模擬結(jié)果的可靠性與有效性。

2.2.4 縮放管

縮放管是由多節(jié)交替分布的收縮段與擴(kuò)張段構(gòu)成的波形管道，縮放管強(qiáng)化傳熱的機(jī)理為：流體在擴(kuò)張段區(qū)域時(shí)速度相對(duì)較低，靜壓增大；流體在收縮段區(qū)域時(shí)，速度增大，靜壓減小。由于收縮段與擴(kuò)展段交替分布，流體在方向反復(fù)變化的軸向壓力梯度作用下進(jìn)行流動(dòng)。流體在擴(kuò)張段產(chǎn)生的漩渦可以在收縮段中得以利用，加上速度增大，可以沖刷流體邊界層，減薄了邊界層的厚度，從而有效強(qiáng)化換熱。

縮放管因其結(jié)構(gòu)的特殊性，可強(qiáng)化管內(nèi)管外單相流體（特別是雷諾數(shù)較高流體）的流動(dòng)和傳熱。張亞君等[8]對(duì)縮放管的傳熱與流阻特性進(jìn)行了試驗(yàn)和工業(yè)應(yīng)用研究，發(fā)現(xiàn)在流阻損失相同的情況下，其傳熱量比光滑管提高了70%。

2.2.5 管內(nèi)插入物

常見的管內(nèi)插入物種類很多，如螺旋線圈、扭帶、線圈與扭帶混合、螺旋片、不規(guī)則異形片等。在管內(nèi)插入一些特殊的物件可以強(qiáng)化單相流體（如氣體、低雷諾數(shù)流體或高黏度流體）的傳熱。各種插入物強(qiáng)化換熱的機(jī)理主要是：插入物的存在破壞了流體沿軸向平行流動(dòng)的流動(dòng)狀態(tài)，使得流體沿插入物的結(jié)構(gòu)徑向流動(dòng)，一方面因流動(dòng)方向反復(fù)改變而加強(qiáng)了流體的強(qiáng)烈混合，另一方面插入物的存在也增加了傳熱面積，其綜合作用提高了對(duì)流換熱系數(shù)。

PROMVONGE[9]研究了扭帶外套擾動(dòng)線圈對(duì)管內(nèi)流體換熱的影響，試驗(yàn)表明：在Re＝3 000～18 000范圍內(nèi)，與光管相比，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，而且在一定范圍內(nèi)，傳熱效果隨著扭曲帶的扭曲程度變高、線圈排布變密而顯著提高。

英國Cal Gavin 公司研制出了一種叫Heatex的內(nèi)插件，其圓芯體能延伸至管壁并緊密接觸，能夠使管內(nèi)側(cè)的傳熱效率提高2 倍～15 倍。另外，該公司還開發(fā)了一種叫Hitran 的絲網(wǎng)內(nèi)插件，在液體工況下，可使殼管式換熱器的管程傳熱效率提高25 倍；在氣體工況下，可使管程傳熱效率提高5 倍。與正常流速相比，這種內(nèi)插件能使換熱管的防垢能力提高8 倍～10 倍[10]。

2.2 強(qiáng)化殼程技術(shù)

強(qiáng)化殼程傳熱的研究主要是改善殼程的結(jié)構(gòu)，傳統(tǒng)的殼程流體是橫向沖刷換熱管束，研究者多采用一些折流結(jié)構(gòu)（如螺旋折流板、整圓折流板、螺旋葉片、折流桿）和殼程內(nèi)插物（如扭曲帶、空心環(huán)）進(jìn)行改善和優(yōu)化，使管內(nèi)流體基本呈現(xiàn)逆流的縱向沖刷。

2.2.1 螺旋折流板

螺旋折流板是將很多塊1/4 橢圓扇形平板首尾彼此連接，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25°～40°，從而總體上形成近似螺旋面，可以使殼側(cè)流體呈現(xiàn)連續(xù)的螺旋狀流動(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)[11]。螺旋折流板的強(qiáng)化傳熱機(jī)理是殼程流體的流動(dòng)狀態(tài)（類似于柱塞狀流動(dòng)），可提高傳熱溫差；同時(shí)，流體因折流板的結(jié)構(gòu)而螺旋流動(dòng)，破壞了邊界層的形成，在半徑方向形成速度梯度，促進(jìn)了流體的湍流流動(dòng)而強(qiáng)化換熱。

王晨等[12]利用PIV 激光粒子圖形測速技術(shù)，對(duì)螺旋折流板換熱器進(jìn)行了研究。結(jié)果表明，螺旋折流板使得殼程流體流動(dòng)方向與軸線能夠呈現(xiàn)一定角度，使得流體斜向沖刷折流板和換熱管，進(jìn)而有效減小管束的震動(dòng)和流動(dòng)死區(qū)。同時(shí)，管間流場因沿軸線方向波動(dòng)的徑向速度而增加了流體的擾動(dòng)，減薄了邊界層的厚度，有利于強(qiáng)化傳熱。

謝洪虎等[13]利用數(shù)值模擬手段對(duì)連續(xù)折流板換熱器進(jìn)行了研究，得到了螺旋節(jié)距L 與螺旋折流板殼管式換熱器強(qiáng)化傳熱效果變化規(guī)律的關(guān)系以及最佳螺紋節(jié)距。

2.2.2 折流桿支撐

折流桿換熱器的殼程以折流圈上的桿式結(jié)構(gòu)代替了傳統(tǒng)的弓形折流板結(jié)構(gòu)，相互平行的折流桿和折流圈統(tǒng)稱為折流柵，以一定的間距及排列方式布置在殼體內(nèi)。折流桿換熱器的換熱機(jī)理是殼程流體由傳統(tǒng)的橫掠管束變?yōu)榭v掠管束，加上折流桿對(duì)流體的擾動(dòng)作用，使得折流桿后面漩渦脫落，流過折流圈時(shí)有文丘里效應(yīng)，和折流圈后面產(chǎn)生的漩渦尾流，極大地促進(jìn)了流體的混合，從而提高傳熱系數(shù)。折流桿換熱器具有殼程壓降小、流動(dòng)阻力小、傳熱面積充分、管束振動(dòng)小的特點(diǎn)，其缺點(diǎn)是折流柵和折流籠的制造和安裝比較麻煩，而且只有在大流量及高流速的場合才能體現(xiàn)其優(yōu)良的性能[14]。

2.2.3 空心環(huán)網(wǎng)板支撐

空心環(huán)是由小直徑短鋼管構(gòu)成的，其均勻分布在換熱管束間，與換熱管束呈現(xiàn)線性接觸，從而使換熱管束被穩(wěn)定地固定。利用空心環(huán)網(wǎng)板支撐，能有效減少殼程流體反復(fù)折流而損耗的能量，使得流體的壓力損失能夠更好地用于促進(jìn)換熱管束外表面的流體湍流狀態(tài)，且能起到?jīng)_刷換熱管束而強(qiáng)化換熱的作用。

鄧先和等[15]在實(shí)驗(yàn)與工業(yè)化研究的結(jié)果中表明，同等殼程壓力降條件下，采用縮放管時(shí)，空心環(huán)殼管式換熱器比折流板管式換熱器殼程傳熱系數(shù)可提高50%～80%。

2.2.4 旋流網(wǎng)板支撐

旋流網(wǎng)板支撐結(jié)構(gòu)多為旋流片和螺旋扭片，當(dāng)旋流片呈連續(xù)的短扭帶時(shí)，殼程流體壓降小，而下游的自旋流作用可以強(qiáng)化高雷諾數(shù)流體的傳熱。當(dāng)殼程流體平行于換熱管束縱向流動(dòng)時(shí)，可以形成旋流并促進(jìn)湍流，旋流和邊界流作用形成二次渦流，破壞和減薄薄壁流體的邊界層，提高傳熱效率。流體自旋是一種強(qiáng)化對(duì)流傳熱的有效手段，當(dāng)流體流過一段較短的扭帶時(shí)，流體被迫作螺旋流運(yùn)動(dòng)，當(dāng)離開旋流片時(shí)，形成的自旋流可在下游區(qū)域持續(xù)很長的距離[16]。

周水洪等[17]結(jié)合試驗(yàn)和數(shù)值模擬手段，研究了空心環(huán)和旋流片支撐時(shí)的流體湍流流動(dòng)和傳熱性能，結(jié)果表明，旋流片能迫使流體作強(qiáng)烈的三維螺旋運(yùn)動(dòng)，增強(qiáng)流體湍流度，同時(shí)使流體沖刷壁面，減薄邊界層，其傳熱效果優(yōu)于空心環(huán)。

2.2.5 管子自支撐

近年來常見的支撐管有刺孔膜片管、螺旋扁管和變截面管等形式。

刺孔膜片管的刺孔膜片不僅能起到支撐作用，還能使管壁延伸，有效增加傳熱面積；毛刺和小孔破壞了邊界層的發(fā)展，增強(qiáng)了殼程流體的湍動(dòng)性能和混合程度，從而提高了換熱系數(shù)，殼內(nèi)流體縱向流動(dòng)，壓降很小[18]。

螺旋橢圓扁管具有雙面強(qiáng)化的作用，靠相鄰換熱管突出的點(diǎn)接觸而起到支撐作用。這種結(jié)構(gòu)使得管內(nèi)、外流體呈螺旋運(yùn)動(dòng)，使流速和流向發(fā)生周期性變化；殼程流體流經(jīng)相鄰管子的螺旋線接觸點(diǎn)形成脫離管壁的尾流，增大了流體本身的湍流度，破壞了管壁上的流體邊界層，從而使殼體傳熱得到增強(qiáng)[19]。

變截面管是將普通圓管用機(jī)械方法相隔一定間距并互成一定角度軋制出扁管形狀的管子。變截面管靠變徑部分的點(diǎn)接觸互相支撐，同時(shí)又組成了殼程部分的擾動(dòng)元件，其結(jié)構(gòu)簡單，且為雙面強(qiáng)化管，最大的弱點(diǎn)是管內(nèi)阻力太大[20]。

3 結(jié)論

近年來，各種強(qiáng)化技術(shù)使殼管式換熱器的性能得以改進(jìn)。在研究方法上，結(jié)合CFD數(shù)值模擬研究，萘升華技術(shù)、激光測速以及全息攝像可視化方法研究等也將得到深入研究與應(yīng)用。隨著強(qiáng)化傳熱機(jī)理的繼續(xù)研究，管內(nèi)強(qiáng)化和管外強(qiáng)化技術(shù)應(yīng)結(jié)合起來，開發(fā)出新型高效傳熱技術(shù)。