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管壳式换热器强化传热研究进展的相关成果点击：1990 日期：[ 2014-04-26 21:08:22 ] |
| 管壳式换热器强化传热研究进展的相关成果 彭威 关昌峰 阎华 杨斯 博杨卫民 （北京化工大学，北京100029） 摘要：随着对节能减排重视程度的提高，换热器的强化传热问题得到了越来越深入的研究，本文介绍了近年来管壳式换热器强化传热研究的一些相关成果，列举了几种应用于管壳式换热器中管程与壳程强化传热的典型元件和结构，为下一步研究工作的开展奠定了基础。 关键词：换热器 强化传热 管程 壳程 内插件 0·前言管壳式换热器是目前应用最为广泛的一种换热设备[1]，它具有结构简单、可靠性高、适应压力范围广、选材范围大、成本低、设计、制造和使用技术成熟等优点，特别是在处理量大、温度和压力高等高参数条件工况下，管壳式换热器更具有独特的优势，因此管壳式换热器被广泛应用于石油、化工、轻工、冶金、食品、制药、能源、动力、航空及其它工业部门[2]。 随着世界人口的不断增长和工业的持续发展，能源短缺的问题将成为人类不得不面临的一个严峻挑战，为此，越来越多的研究者将工业节能作为了研究课题。对于管壳式换热器强化传热的研究也在不断的深入进行当中。 1·管程强化传热 目前，人们对管壳式换热器管程强化传热的研究主要是围绕减薄热边界层、增加流体湍动和破坏流体速度边界层三方面进行的，主要经历了五个阶段：（1）光滑表面阶段，即对换热表面光滑的换热器通过提高流速、减薄边界层来提高传热；（2）粗糙表面阶段，即通过人为方法使换热表面粗糙化，以增强流体与表面之间的摩擦和破坏边界层来提高传热；（3）内插件扰动阶段，即通过在换热管内加入各种形式的内插件来增强流体扰动并破坏边界层，以此来实现强化传热；（4）喷流扰动阶段，即将气体通过小孔或窄缝喷流射到换热面上，将大部分边界层破坏来实现强化传热；（5）贴壁旋流扰动阶段，即将流股平行旋转地射向间壁表面，形成贴壁流动，将流体的边界层大范围的剥离掉从而实现强化传热[2]。围绕这一逐步发展的研究思路，人们相继开发出了强化管和内插件等一系列强化传热方法，它们通过各种形式对流体进行扰流，取得了较好的传热效果。 1.1强化管 早期的换热管大多是光滑管，为了增强流体与换热管表面之间的摩擦以及流体在换热管内的扰动，将光滑的直管加工成为各种具有凸肋结构的传热管，如横纹槽管、波纹管、缩放管、螺纹管、变截面管和螺旋扁管等。这些管的结构不同，但大多是通过流通截面的不断变化来控制流体的流动，并使管壁附近处流体的湍动程度加大，流体与管壁间的边界层减薄，边界层导热热阻减小，从而实现强化传热。 有研究者将光滑管表面通过喷丸、刻槽、设置扰流物等措施来形成表面粗糙管或扩展表面管实现强化传热，J.S.Andrade,Jr等人的研究表明，在对流传热为主要传热形式的条件下，粗糙表面可以提高热通量和有效换热表面[3]。扩展表面管可以通过在管壁内外安装各种形式的翅片实现，目前的翅片截面形状主要有矩形、三角形、锯齿形、T形、花瓣形、针形等，翅片管上的翅片不仅可以增大传热面积，还对翅片周围的流体起到了加强湍动的作用，有利于减薄热边界层厚度，从而实现强化传热。实验表明，当换热器中以壳程热阻为主时，可以采用外翅片管，而当换热器中以管程热阻为主时，则可以采用内翅片管。罗小平、邓先和等人曾对四种典型的强化管（缩放管、横纹槽管、螺纹管、花瓣管）在夹套间进行了传热及压力降实验研究，发现这四种强化管的传热效率指标都大于1,表明其总体传热性能都优于光滑管[4]。但是不可否认的是，强化管的加工难度较大，生产成本较高，虽然其形成污垢的能力低于光滑管，但是由于强化管结构的复杂性，内部一旦形成污垢将难以清理。目前，强化管的研究趋势是按功能要求设计表面功能结构，然后根据其结构形状进行制造[5]，其制造工艺的复杂性和表面污垢的难清除性是其发展急需解决的两大难题。 1.2内插件 换热器内的强化传热技术可以分为主动强化传热技术、被动强化传热技术以及复合强化传热技术。主动技术是使用外力驱动来实现强化传热，使热量从流体传向换热器壁面；被动技术则是无外力驱动来实现强化传热，内插件技术就属于被动强化传热技术的一种；复合强化传热技术则是将主动与被动强化传热技术结合起来使用的一种方法[6]。 内插件技术是一项简便易行的强化传热技术，内插件作为一种扰流子，以一定形状安装于换热管内，在换热管内静止不动或受管内流体驱动而运动，对流体产生扰动，对器壁产生较高的流体剪切应力，破坏管壁表面处流体的边界层从而实现强化传热，内插件具有较好的防垢除垢的效果。 按照内插件的强化传热原理可将其分为以下三类：置换型强化器,包括静态混合器、交叉锯齿带、球形体等形式；强化旋流,如扭带和半扭带形式；促进湍流,如螺旋线圈、片条、斜环片等形式[7]。这些内插件作为一种强化传热的手段，便于安装、拆卸和维护，且只需在原有换热设备上加以改进即可，因此具有较好的发展前景。 静态混合器是一种高效的静态混合元件，它是由螺旋角相反的扭带对头焊接而成，能对流体进行切割、旋转和重新混合，其结构紧凑、制造安装方便、操作能耗低，主要用于层流流动。交叉锯齿带是华南理工大学新研制的一种静态插入物，它由2到3条梯形波浪带交叉而成，两条锯齿带在垂直中心轴上交错成弹性波带，引导流体扰流但不产生离心力，并依靠波浪斜板使中间流体移至壁面，壁面流体移至中间[2]。 扭带结构是人们研究最多的内插件形式之一，它由金属薄片扭制或塑料薄片热加工而成，人们围绕扭带的扭率和扭带的具体结构形式进行了多种多样的研究。螺旋扭带使流体在换热管内连续旋流，再由螺旋流引起的二次流促进了流体的径向混合，从而实现强化传热。在Bergles所列举的各种强化传热技术中，螺旋扭带内插件被认为是一种十分有效的强化传热方式，特别是在层流条件下[8]。 螺旋线圈是将金属丝绕制成像弹簧一样的连续或间断的结构，它能促进流体湍流，间歇破坏边界层的发展，减薄边界层从而实现强化传热。Lieke Wang等人对扭带和螺旋线圈的研究表明，两者对层流区、高粘度流体的强化传热效果更好，扭带会对整个流场产生扰动，而螺旋线圈主要对管壁附近的流体产生扰动，在不考虑压降的前提下，螺旋线圈的整体强化传热性能更好[9]。 以上介绍的几种内插件虽然具有一定的强化传热效果，但由于其属于被动强化传热技术，不可避免的要消耗系统中的部分能量，从而导致流体压降。一个好的换热器设计应具有较高的热力性能，熵产最小，有用功损失最少，尽管在实际过程中有用功的损失无法完全避免，但仍可以通过良好设计来使有用功损失最小化[6]。基于这一思路，我国科研工作者近年来研制出了一些新型的强化传热内插件。如清华大学利用多空介质弥散效应开发出的一种金属丝制元件——金属丝制绕花丝多孔体[10]，北京化工大学杨卫民等人研制的组合转子扰流强化装置——“洁能芯”[11]等。这些新型的内插件在提高传热系数的同时,也使流体压降尽量减小，符合利用内插件来进行强化传热未来发展的趋势。 2·壳程强化传热 传统的管壳式换热器的壳程部分大多采用单弓形折流板与光滑圆管作为组合结构，流体在壳程内做垂直于换热管轴向的横向流动，存在较多的传热死区。壳程的强化传热研究，主要是围绕着减少传热死区，改进支撑结构进行的。有的改进是对折流板板面结构的改进，有的改进则是将板结构改为杆结构的改进，其中，折流杆支撑、整圆形孔板支撑、空心环支撑和螺旋折流板支撑是比较典型有效的支撑结构，下面，将分别对其工作原理作出简要介绍。 2.1折流杆支撑 美国菲利普公司于20世纪70年代开发了折流杆换热器，这种结构最初是为解决管束的振动问题而开发的，它以支撑杆、折流环交叉支撑拉杆、分隔板和纵向滑动杆组成的折流栅代替折流板，使壳程流体做平行于管轴向的纵向流动，有效避免了流体诱导振动，减小了传热死区，减少了污垢沉积，壳程压降比折流板换热器明显减小。折流杆对换热管起支撑作用的同时，又增大了流体湍动，提高了壳程传热系数，这里，流体湍动程度的提高主要是借助流体流过折流环和折流杆时的文丘里效应和涡流来实现的[12]。 2.2整圆形孔板支撑 整圆形孔板支撑结构的折流板为整圆形，上有供管子通过的孔，还有供流体通过的各种异型孔，也可将整圆孔板制成网状结构。整圆形孔板支撑结构能够较好的支撑管束，防止管束发生流体诱导振动，使壳程流体平行于管束纵向流动。同时，整圆形孔板有效地堵塞了壳程中管束与壳体之间的缝隙，阻止流体在该缝隙中的无效流动，当壳程流体从孔板开孔处穿过时，孔板的“节流作用”和“射流作用”使流体产生波动和二次流而加剧湍流，提高了壳程流体流速和传热效果[13]。但由于大多数的整圆形孔板的结构较为复杂，其加工困难，制造成本较高。 2.3空心环支撑 空心环支撑是将直径较小的钢管截成两节，均匀分布于换热管管间的同一截面上，呈线性接触，在紧固装置螺栓力的作用下，使管束相对紧密固定。这种支撑方式的壳程空隙率大，对壳程流体的阻力较小，大幅减少了折流损失的流体输送功，将输送功用来提高管外换热系数，将其强化传热管结合使用可以提高壳程的综合传热强化性能[14]。研究表明，当空心环与折流杆支撑同样的强化管束时，空心环能使管束获得更好的强化传热效果，但其扰流作用不如折流杆式支撑。目前，空心环支撑换热器主要用于国内硫酸等行业气-气换热过程[2]。 2.4螺旋折流板支撑 螺旋折流板采用若干块四分之一壳程横截面的扇形板组装而成，有单螺旋折流板和双螺旋折流板两种。每个折流板与壳程流体的流动方向成一定角度，使介质自壳体进口向出口呈螺旋状推进，该结构可以通过改变角度来调整流通截面，从而提高壳程流体流速。螺旋折流板换热器中壳程流体做连续柱塞状螺旋运动，避免了出现流动死区，压降小，并具有良好的抗振性能和防垢性能，特别适用于易结垢、高黏度的介质，如原油、渣油等的强化传热。但由于螺旋折流板换热器结构的原因，其制造加工比较复杂，成本高，制约了它的大规模推广[15]。 目前开发的新型折流板和支撑物有两个共同特点：一是壳程内流体流动由横向流动变为平行于管轴的纵向流动，使流体压降减小，传热面积得到了充分利用，避免了壳程流体对管子的垂直冲击，减少了流体对传热管的诱导振动；二是折流板形式向着流阻低、坚固、结构简单、制造方便、节省投资等方向发展[7]。随着研究的深入，将来的换热器壳程可能不再需要折流板和支撑件，而直接通过异形管之间的相互接触来实现换热管间的定位。 3·结语 管壳式换热器有着广泛的应用领域，其强化传热的研究具有显著的社会意义和经济意义，不仅对全社会节能减排工作的顺利开展能起到较好的推动作用，还能为国家和企业节省大量的投资。 无论是管程强化传热技术还是壳程强化传热技术，其结构的复杂性都将直接影响该技术的推广和发展，为此，强化传热技术的研究会朝着结构简化、传热效率高的方向发展。而如何在提高传热效率的同时不使流体压降有明显升高，如何在增加有效传热面积的同时使换热器结构紧凑，以及如何在保证换热器具有较低生产成本的同时保证其有较高的使用寿命也将成为将来研究的重要内容。 参考文献：略 |
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