管殼式換熱器節(jié)能技術(shù)分析

陳姜宏

（廣東工業(yè)大學(xué)，廣東廣州 510006）

換熱器是使冷熱流體實現(xiàn)熱量交換，以實現(xiàn)不同工藝需求的節(jié)能設(shè)備。換熱器因其通用性廣泛應(yīng)用于化工、電廠、航空航天等領(lǐng)域。據(jù)統(tǒng)計，我國換熱器產(chǎn)業(yè)市場產(chǎn)額在2010年為500億元左右，且維持年均10%～15%的需求不斷增長，2020年產(chǎn)額也已超過1 400億元，其產(chǎn)業(yè)最大的核心市場為石油化工相關(guān)領(lǐng)域。鑒于電力、冶金、石油等行業(yè)對換熱器穩(wěn)定增長的市場需求與競爭，更加高效、經(jīng)濟、節(jié)能的換熱器和強化換熱技術(shù)已成為未來市場的核心。

當前國內(nèi)外為實現(xiàn)節(jié)能增效在換熱器領(lǐng)域開展了大量研究，重點聚集在對管程和殼程換熱技術(shù)的強化。本文將從目前應(yīng)用最廣泛的一類換熱器——管殼式換熱器的管程節(jié)能技術(shù)以及其存在流動死區(qū)易結(jié)垢和流體流動阻力大易誘發(fā)振動等問題展開分析。

1 管程強化換熱節(jié)能技術(shù)

在管殼式換熱器中，管程換熱節(jié)能技術(shù)的強化主要集中在對換熱管內(nèi)外表面進行加工優(yōu)化或增添管內(nèi)插入物，以此對換熱面積進行擴展和增加流體的湍流強度來實現(xiàn)強化傳熱，進而達到節(jié)能目的。

1.1 螺旋槽管

螺旋槽管是一種帶內(nèi)凸肋的結(jié)構(gòu)管，通過軋制、拉拔或滾壓的方式在光管表面加工出圓弧形、錐形凹槽或者其他形狀的槽紋而制成，見圖1。螺旋槽管內(nèi)壁形成凸起，外壁形成凹槽。當流體掠過管內(nèi)壁時，凸起部位讓層流介質(zhì)產(chǎn)生與流動方向垂直的縱向渦流，增加附加擾動，促進紊流的形成，加速傳熱速率。當流體掠過管外壁時，凹陷部位也產(chǎn)生呈縱向的渦流，讓層流態(tài)流體受擾形成湍流態(tài)，管內(nèi)與管外傳熱速率同時提高。故在傳熱中螺旋槽管能起到雙邊強化的作用[1]。而螺旋管在進行凝結(jié)傳熱或管內(nèi)沸騰時，其強化換熱的效果更加顯著。這是因為螺旋槽管凹凸的曲面結(jié)構(gòu)容易使冷凝液受到表面張力而匯聚在凹槽中，冷凝液膜的厚度減薄，抗污垢性能得到提升，進而強化了傳熱。由文獻[2]可知，在凝結(jié)換熱中螺旋槽管換熱器總體換熱系數(shù)比光管提高了48.41%，而阻力損失只比光管增加了0.85倍，表現(xiàn)出優(yōu)異的換熱性能。此外，螺旋槽管換熱性能會受到不同尺度參數(shù)的螺距和槽深的影響，同螺距下槽深增大能擴大傳熱系數(shù)，但也會附加對應(yīng)的流動阻力。在低雷諾數(shù)、低黏性的流體工況下選擇使用槽深較大的螺紋管，可以保證提高傳熱系數(shù)的同時，最大程度抑制流動阻力的增加，使整體換熱性能得到提升。

圖1 螺旋槽管

1.2 波紋管

為了解決管殼式換熱器在渦流內(nèi)容易產(chǎn)生積垢而影響換熱器的壽命及傳熱等問題，國內(nèi)外學(xué)者研究發(fā)明一種新型波紋換熱管。波紋管也稱波節(jié)管，是指截面軸向外形由波峰波谷組成的換熱管[3]，見圖2。其強化換熱的機理為：當流體流經(jīng)管內(nèi)外時，流體遵循文丘里效應(yīng)，壓力與流速呈周期性變化，在波峰處流動截面縮小產(chǎn)生節(jié)流效應(yīng)，在波谷處流動截面增大產(chǎn)生噴射效應(yīng)，使得管內(nèi)出現(xiàn)許多運動劇烈的漩渦，邊界層膜受到漩渦沖刷而減薄，同時漩渦的沖刷作用也使得管壁面的污漬難以沉積。相比于螺旋管、光管有更加良好的防垢能力。燕山大學(xué)采用數(shù)值模擬[4]發(fā)現(xiàn)，在相同質(zhì)量流量時波紋管相比直壁管對流換熱系數(shù)提高了45.2%～51.1%，壓強僅降低了2.6%～13.1%。另外，波紋管也存在一定的缺陷，其特殊結(jié)構(gòu)使得管內(nèi)外的應(yīng)力分布不均，在周期性的循環(huán)壓力下，容易使換熱管發(fā)生疲勞失效，耐疲勞性能顯著低于螺旋槽管和光管?？刹捎靡恍┬滦蛻?yīng)力測量工具如電阻應(yīng)變片，得到波紋管的應(yīng)力分布情況，確定波紋管內(nèi)外表面所受應(yīng)力強度最大的部位，并對其部位表面進行化學(xué)處理和熱加工提高抗疲勞強度即可。

圖2 波紋管

1.3 多孔管

強化沸騰換熱原理的關(guān)鍵就是在加熱表面盡可能多地擴充汽化核心。多孔管正是依據(jù)此原理而設(shè)計，在加熱部位表面上加工出多孔結(jié)構(gòu)，其措施有：電鍍法、普通機械加工法、燒結(jié)法、火焰噴涂法，其中以燒結(jié)法制造的多孔管傳熱性能最好[5]。加熱面的多孔結(jié)構(gòu)使得其外壁面積遠大于內(nèi)壁面積，傳熱效能大幅增加。多孔表面也為氣泡的產(chǎn)生創(chuàng)造了良好的條件，氣泡運動擾動愈加劇烈，使得沸騰傳熱的換熱系數(shù)與熱流密度急劇增大，同時其孔穴內(nèi)不斷產(chǎn)生的氣泡也使得污垢難以積聚，抗垢性能提高。華東理工大學(xué)王學(xué)生等[6]用220mm多孔表面管與光滑管進行對比傳熱實驗，結(jié)果顯示多孔表面管的沸騰傳熱系數(shù)是光滑管的5～6倍，強化沸騰傳熱的效果顯著。多孔管是一種可以替代傳統(tǒng)直管的有效傳熱構(gòu)件，已被廣泛運用于石油、化工等領(lǐng)域，但其實現(xiàn)多孔結(jié)構(gòu)的工藝技術(shù)一直受到國外限制。我國使用的燒結(jié)型多孔管大多依賴進口，研制出新型低成本、可批量生產(chǎn)的加工技術(shù)具有巨大的市場潛力。

1.4 翅片管

翅片管能夠有效解決氣-液、水-油等強化傳熱中存在的換熱不平衡問題。翅片管是在圓形光滑管內(nèi)表面上，采用各種機械加工的方法在使其內(nèi)壁或外壁具有不同維數(shù)、不同表面形貌特征的換熱管，其根據(jù)翅片所處位置的不同還可分為內(nèi)翅片管和外翅片管。由強化傳熱的機理可知，強化傳熱過程要抓住主要熱阻環(huán)節(jié)[7]，如氣-液換熱中，由于兩介質(zhì)之間換熱系數(shù)差距很大，液體的換熱系數(shù)一般情況下是氣體的數(shù)百倍，故氣體側(cè)的熱阻通常是最主要的。在傳統(tǒng)換熱器內(nèi)，管壁兩側(cè)的傳熱面積基本一致，此時兩介質(zhì)的熱阻差異導(dǎo)致了熱量交換過程中出現(xiàn)失衡，使得傳熱過程受到削弱，造成熱源浪費。翅片換熱管的出現(xiàn)恰好解決了以上問題，它能夠使熱阻低的一側(cè)面積增大，增加總的傳熱系數(shù)，同時具有體積小、占地面積小、維護成本低等優(yōu)點。由文獻[8]可知，在PVA維綸裝置的實驗中，采用內(nèi)展翅片換熱器每小時節(jié)水122t，節(jié)水率為32.1%，設(shè)備體積與占地面積分別僅為普通換熱器的50%、20%。目前翅片換熱管在制冷、制藥等領(lǐng)域已得到了廣泛的應(yīng)用，但同時由于翅片的存在，使得污垢沉積變得難以清洗。目前已發(fā)展出了超聲波除垢技術(shù)，可以將其應(yīng)用在翅片管換熱器中，達到一定的除垢效果。

1.5 螺旋扁管

在工程應(yīng)用中還發(fā)展出脫離傳統(tǒng)折流構(gòu)件支撐，依靠自身特殊的管束結(jié)構(gòu)實現(xiàn)自支撐功能的換熱管——螺旋扁管。螺旋扁管橫截面呈橢圓狀，管道呈螺旋狀且具有相同的螺距，依靠管道間外緣螺旋線點與點的接觸實現(xiàn)自支撐。其幾何結(jié)構(gòu)使得管內(nèi)外都形成了螺旋通道，流體沿著通道運動時，會產(chǎn)生周期性的縱向旋轉(zhuǎn)和二次擾動，使流體充分混合、污物難以停滯、邊界層受到?jīng)_刷而減薄，故熱能的傳遞速率得到顯著提升的同時具有良好的自清潔功能。由于殼程中減少了折流構(gòu)件的支撐，殼程介質(zhì)的流動方式由傳統(tǒng)的折流運動轉(zhuǎn)化為螺旋運動，流動阻力大幅減小。殼程流體存在流動死區(qū)和誘發(fā)管束振動等問題不僅得到有效解決，換熱器所占空間體積也進一步節(jié)減。由文獻[9]可知，工業(yè)實踐中的螺旋扁管傳熱效率是光管的1.7倍，在同樣熱負荷下?lián)Q熱面積可節(jié)省63%。因此相比其他類型的換熱管，螺旋扁管具有更加全面綜合的性能，在大部分管殼式換熱系統(tǒng)中都可使用。因螺旋扁管優(yōu)異的傳熱和自清潔性能，可以讓該類型換熱器的應(yīng)用領(lǐng)域進一步拓寬，如用來處理印染工廠熱污水、鍋爐電廠爐渣水等懸浮物高及含污量大的惡劣工況場合，解決傳統(tǒng)換熱器在此類場合運行中存在易污堵、易結(jié)垢等問題。

1.6 新型三維內(nèi)肋管

三維內(nèi)肋管具有非常優(yōu)異的傳熱性能。它是在普通光管的內(nèi)外表面上，經(jīng)過多種工序加工出有一定規(guī)律的鱗片狀或針刺狀內(nèi)外表面，以此加強流體擾動、破壞熱邊界層的形成和擴展換熱面積。其換熱效率是普通光束的2倍左右。由文獻[10]可知，在三維內(nèi)肋管基礎(chǔ)上還發(fā)展出內(nèi)插樹枝狀調(diào)控結(jié)構(gòu)，與單一的三維內(nèi)翅片管相比，其綜合傳熱性能提高了15.7%～86.2%。通過與其他換熱元件的合理搭配可以讓換熱效果更進一步提升。目前三維內(nèi)肋管復(fù)雜的三維結(jié)構(gòu)設(shè)計、傳熱機理與加工成型方法等領(lǐng)域還處于摸索階段，未來有待進一步的研究。

1.7 管內(nèi)插入物

管內(nèi)插入物是實現(xiàn)節(jié)能換熱技術(shù)另外一種常用的方法，因為其具有維護成本低、易于除垢、裝拆便捷等優(yōu)點而受到廣泛的發(fā)展與應(yīng)用?，F(xiàn)今國內(nèi)外已研究開發(fā)出多種內(nèi)插件，如紐帶、螺旋片、縱向渦流發(fā)生器、螺旋彈簧、多孔介質(zhì)等。不同結(jié)構(gòu)類型的內(nèi)插件其強化換熱的機理也有所區(qū)別，但總的來說強化傳熱的機理大致可分為[11]：產(chǎn)生渦流；形成二次流；中心流體與管壁流體的置換作用；分離流體，抑制邊界層的發(fā)展。進而提高傳熱系數(shù)，實現(xiàn)高效節(jié)能。目前一些新型的內(nèi)插件也在不斷發(fā)展中，青島科技大學(xué)楊衛(wèi)民等[12]發(fā)明了一種具有自清洗與強化傳熱多重功能的“潔能芯”，并在火力核電廠進行了實踐應(yīng)用，結(jié)果顯示其節(jié)能達到20%以上。從發(fā)展的角度來看，研究更加高效的新型管內(nèi)強化傳熱元件，需要加強對傳熱元件的理論和技術(shù)的分析，如在遵循強化傳熱的基本原理及場協(xié)同原理前提下，采用計算機數(shù)值仿真模擬結(jié)合正交優(yōu)化，得出元件的最佳結(jié)構(gòu)參數(shù)，同時對不同流動狀態(tài)下傳熱元件進行性能分析和場分析，得出不同場（如溫度場、流場、壓強場）之間的變化關(guān)系，最終合理設(shè)計出高效節(jié)能的內(nèi)插件。

2 結(jié)語

管殼式換熱器管程傳熱節(jié)能技術(shù)，隨著科技的發(fā)展而不斷推陳出新。管程節(jié)能傳熱從單一管型結(jié)構(gòu)，到二維擴展表面結(jié)構(gòu)，再到目前復(fù)雜的三維結(jié)構(gòu)。新型換熱器僅依靠單純的實驗研究已經(jīng)滿足不了對其復(fù)雜換熱機理研究和結(jié)構(gòu)設(shè)計，更多需要借助計算機新型模擬軟件輔助研究如：Deform3D、AQAQUS有限元分析、fluent流體仿真、CFD計算流體動力學(xué)等。另一方面，如何結(jié)合多種傳熱強化技術(shù)，進行合理的組合優(yōu)化，從而達到更好傳熱效果是未來節(jié)能技術(shù)發(fā)展的重點。如大小孔折流板搭載波紋管、三維內(nèi)肋管內(nèi)插樹枝狀元件等均表現(xiàn)出高效的綜合傳熱性能。此外，一些能夠?qū)崿F(xiàn)復(fù)雜換熱表面的新型加工方法和高效自清潔技術(shù)也應(yīng)加以重視與應(yīng)用，這不僅能夠節(jié)省換熱器材料、加工和維護的成本，還能夠提升換熱器整體的綜合性能，實現(xiàn)高效的節(jié)能換熱。