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管壳式换热器的研究进展点击：1897 日期：[ 2014-04-26 21:39:55 ] |
| 管壳式换热器的研究进展 冯国红,曹艳芝,郝 红 (太原科技大学材料学院,山西太原 030024) 摘 要:综述了近年来管壳式换热器的研究进展,从管程、壳程两方面介绍了传热强化技术和传热强化结构。管程传热强化方面主要介绍了一些新型强化管,壳程方面主要介绍了一些新型的支承结构,并指出了管壳式换热器的研究方向。 关键词:管壳式换热器;研究现状;传热性能 中图分类号:TQ 051·5 文献标识码:A 文章编号:1671-9905(2009)06-0041-05 换热器是化工、石油、能源等各工业中应用相当广泛的单元设备之一。据统计,在现代化学工业中换热器的投资大约占设备总投资的30%,在炼油厂中占全部工艺设备的40%左右,海水淡化工艺装置则几乎全部是由换热器组成的。对国外换热器市场的调查表明,虽然各种板式换热器的竞争力在上升,但管壳式换热器仍占主导地位约64%。新型换热元件与高效换热器开发研究的结果表明,列管式换热器已进入一个新的研究时期,无论是换热器传热管件,还是壳程的折流结构都比传统的管壳式换热器有了较大的改变,其流体力学性能、换热效率、抗振与防垢效果从理论研究到结构设计等方面也均有了新的进步。目前各国为改善该换热器的传热性能开展了大量的研究,主要包括管程结构和壳程结构强化传热的发展,现简介如下。 1 管壳式换热器管程结构发展 管程强化传热技术可归结为两个方面:改变传热面的形状和在传热面上或传热流路径内设置各种形状的插入物。 1·1 改变传热面形状 其强化传热机理为:通过对管子进行各种细微的加工,以期在管子壁面上形成有规律或无规律分布的凸起物,或将管壁本身沿轴向制成波纹状或螺旋凹肋等,这些传热面上的各种形状的凸起物既是无源扰动的促进体,又起断续阻断边界层发展的作用。这些强化传热管主要有螺旋槽纹管、波纹管、横纹管、V型纵槽水平螺旋管、变形翅片管、三维内肋管、针翅管、旋流管、缩放管等。 1·1·1 螺旋槽纹管换热器 螺旋槽纹管亦称螺旋槽管,是一种优良的高效异形强化传热管件,图1为螺旋槽纹管结构,由光滑管在车床上轧制而成,分为单头和多头,用于强化管内气体或液体的传热、强化管内液体的沸腾或管外蒸汽的冷凝。其强化机理为:流体在管内流动时受螺旋槽纹的引导,靠近壁面的部分流体顺槽旋流,有利于减薄边界层厚度;还有一部分流体顺壁面轴向流动通过螺旋槽纹凸起处便产生轴向漩涡,引起边界层分层及边界层中流体的扰动,从而加快由壁面至流体主体的热量传递。华南理工大学[1]和重庆大学[2]经试验研究及理论推导,得出了单头螺旋横纹管比多头螺旋横纹管的综合性能好的结论。美国Argonne国家实验室和GA技术公司设计、制造的螺旋槽纹管换热器,其传热效率比光管提高了2~4倍。 1·1·2 波纹管换热器 波纹管换热管由沈阳市广厦热力设备公司于20世纪90年代初研制成功,由波纹管和接头两部分组成,结构如图2所示。其管壁很薄(0·5~1mm),波峰波谷高度差达10 mm,换热管可自由伸缩,流体在复杂截面内不断改变方向和流速,促使紊流增加,边界层减薄和增强相变换热等,从而增大传热系数K。在水—水换热器中,K可达2000~3600W·(m2·℃)-1,在汽—水换热器中K可达3000~4500 W·(m2·℃)-1,对于其它介质其传热效率可提高2~4倍,减少换热面积40%以上。这种高效换热器还具有不易结垢、单位容积传热面积大、耐腐蚀性强、温差应力小等优点。然而,由于波纹管是由薄壁光滑管加工而成,成型后其应力状态复杂化,管束的强度和刚度都与光滑管有很大差别,致使管束和管板的应力分析困难。为解决这些问题从而使其能更广泛地应用于石油、化工等工业领域,对波纹管换热器进行强度研究,建立相应的设计标准是非常必要的。因此制定波纹管换热器强度设计标准,于2002年被纳入国家锅炉压力容器标准化技术委员会项目,由沈阳化工学院和沈阳市特种设备检测研究院等单位负责起草,将波纹管换热器设计方法列为国家标准GB151《管壳式换热器》的附录,并于2004年以名为“奥式体不锈钢波纹管换热器设计标准案例”正式颁布[3]。 1·1·3 螺旋扁管换热器 螺旋扁管是瑞典Allards公司推出的高效换热元件,其结构特点是管子换热段任一截面类似于椭圆,其长、短轴之比可根据换热器管程和壳程的流速确定。螺旋扁管换热器可以由混合管束(光管和螺旋扁管混合使用)也可以由纯螺旋扁管组成。流体在壳程与管程大体呈纵向流动,同时伴随有横向螺旋运动这种流速和流向的周期性改变加强了流体的轴向混合和湍流度。同时,流体流经相邻管子的螺旋线接触点后形成脱离管壁的紊流,增加了流体自身的湍流度,破坏了流体在管壁上的传热边界层,从而强化了传热。据报道[4]螺旋扁管换热器比普通光管换热器的总传热系数高40%,而压降几乎相等。 1·1·4 不连续双斜向内肋管换热器 清华大学过增元院士根据场协同理论研发出2种多纵向涡新型强化换热元件:不连续双斜向内肋管和交叉缩放椭圆管。不连续双斜内肋换热管是通过轧制等方法在换热管的内壁面形成许多不连续的、与轴线有一定夹角并向2个方向倾斜的条状凸起物—双斜内肋。管内流体在管壁上多个双斜内肋对的作用下诱导产生多纵向涡流,且涡流主要集中在管壁面附近,从而使对流换热得到强化,并具有良好的抗结垢功能。 孟继安[5]等的研究表明,当Re=500~2300时,与圆管相比,不连续双斜向内肋管的换热增强250%~650%,阻力增加120%~300%;交叉缩放椭圆管可提高200%~500%,沿程阻力增加100%~350%;当Re=2300~5×104时,不连续双斜向内肋管换热可增强110%~240%,阻力增加120%~240%;交叉缩放椭圆管换热可增强35% ~170%,阻力增加130%~160%。 1·1·5 变形翅片管换热器 为提高翅片管螺旋冷凝蒸发器的效率,必须改变翅片的几何形状,以促进“沸腾缝隙效应”的形成。为此,俄罗斯推出一种变形翅片管螺旋冷凝蒸发器,即将冷压制直翅片管拉成各种直径的定径器(模具),变形后的翅片表面成为半封空腔,汽化过程发生在翅片表面,而不是在翅片间隙中。变形翅片由于翅片间隙出口较逸出汽泡直径小,便能维持正常的汽相,从而省去分离两相所需的能量。采用变形翅片管还可以提高单位管子长度上的热,这样不仅强化了汽化过程也扩展了传热面积。 为提高翅片化表面的性能俄罗斯又提出了一种先进方法:气动喷涂法。其实质是采用高速的冷的或稍微加温的含微粒的流体给翅片表面喷镀粉末粒子。该方法不仅可喷涂金属还能喷涂合金和陶瓷(金属陶瓷混合物),从而得到各种不同性能的表面。气动喷涂法不但可用于成型,还可用来将按普通方法制造的翅片固定在换热器管子的表面上,也可用来对普通翅片的底面进行补充加固。 1·2 管内加内插物 用插入物强化管内单相流体传热,尤其是对强化气体、低雷诺数流体或高粘度流体的传热更为有效。各种插入强化机理不同,但都主要以改变流道来达到强化传热目的。目前管内插入物很多,如螺旋线、纽带、错开纽带、螺旋片和静态混合器等。试验研究表明[6],管内插入纽带之后,如果是层流换热,则对流传热系数可增大2~3倍,最大可达10倍,压降增加3倍以上。若是紊流换热,传热系数仅增大30%左右,而压降增大2倍以上。螺旋线圈大多数是用于强化油等高粘度流体的换热。Uttarwar和Raja[7]研究了管内插入不同形式的螺旋线圈强化层流区加热油的情况,结果表明内插螺旋线圈强化层流区换热,传热系数可高达3·5倍,而强化紊流区换热时,传热系数只提高30%~50%。绕丝花插入物用于液体工况,可使管壳式换热器管程传热效率提高25倍,用于气体工况,可使相应值提高5倍。同时,与正常流速相比,这种插入件使换热管的防垢能力提高8~10倍。 2 壳程强化结构的发展 壳程的传热强化研究包括管型与管间支撑物的研究。根据不同的管束支承结构可分为板式支承、杆式支承、空心环支承、管子自支承等几种形式。传热管外表面形状的改变主要是在其外表面上加工出沟槽和翅片,外表面有沟槽的传热管主要包括螺旋槽管、横纹管、波纹管等,本文前面已述,不再重复。 2·1 板式支撑结构的发展 传统的管壳式换热器大多采用弓形隔板支撑,这种结构形式存在一些弊端:阻力大、死角多、传热面积无法被充分利用,还可能引发流体流动振动等等。为了使折流板的性能得到改进,又研发出了多弓形折流板、整圆形折流板(如图3所示)、异形孔折流板、网状板等。这些新型折流板支承结构的出现主要是为了使流体由横向流动变为纵向流动,从而尽可能地消除死区,使得传热综合性能得到提高,也使得管束的抗振性能得到增强。 2·2 杆式支撑结构的发展[8] 美国菲利浦石油公司于20世纪70年代,为改进传统换热器中管子与折流板的切割破坏和流体诱导作用,开发了壳程流体纵流折流杆式换热器。纵流形支承结构的特征是壳程流体的流动方向与管束平行,这类换热器基本实现了壳程、管程流体的完全逆流,增大了有效平均温差,提高了传热效果。折流杆换热器是纵流型支承结构的典型代表,它是一种以折流杆代替折流板的换热器。这种结构由折流栅组组成,每组折流栅包括2个横栅和2个纵栅,每个折流栅是由若干平行的折流杆焊接在一个折流圈上而成,且折流杆的布置方式不同。因壳程具有与管程流动基本相同的对流传热机理,加上支撑杆形成的涡流流动和折流环区的文丘里效应,所以热力性能优异;且壳程不存在横向流通的阻力,也无来回流动的反向效应,故壳程压降也较低。华南理工大学和大庆石油化工总厂共同开发的折流杆螺旋槽管再沸器已应用于在无相变及冷凝传热方面,其总传热系数比光管再沸器提高了1.2~1·7倍,抗振性能好。此后,世界各国对该类型的换热器进行了深入的研究,出现了一种新的抗振结构:直扁钢条;后来又把圆杆变成波形扁钢;由于圆杆在安装上比较困难,又提出了把圆杆变为椭圆截面的杆。 2·3 空心环管壳式换热器 空心环支承是由华南理工大学研发的,它是由直径较小的钢管截成短节,均匀分布在换热管之间的同一截面上,呈线性接触,其结构如图4所示。研究表明,空心环管壳式换热器取代折流板式换热器使换热器钢材减少35%~50%,气体压降减少30%~40%,已成功应用于硫酸工业与石化工业。广东鹤山市磷肥厂年产4×104t硫酸的工业过程中,应用该换热器比传统换热器节省换热面积50%,节省钢材40%。空心环常常与强化传热管配合使用,能够同时强化管程、壳程传热,可获得比普通光管高80%~100%的传热膜系数。但空心环支承的扰流作用不如折流杆支承,而且管束固定工艺相对较复杂。 2·4 螺旋折流板换热器[9~10] 螺旋折流板换热器,国外称Heliexchanger换热器,是ABB公司的新产品,它突破了壳程介质Z形折返的传统方式。从结构上看该换热器主要包括2大类:一类是没有中心管,折流板为非整体连续的螺旋结构,其设计原理为:将圆截面的特制板安装在“虚拟螺旋折流系统”中,每块折流扳占换热器壳程横剖面的1/4,倾角朝向换热器的轴线,使壳程流体做螺旋运动,减少了管板与壳体之间易结垢的死角,从而提高了换热效率。在气-水换热的情况下,传递相同热量时,该换热器可减少30%~40%的传热面积,节省材料20%~30%。另一类是设有中心管,折流板为整体连续的螺旋结构。其设计形式是折流板围绕中心管螺旋缠绕,形成整体连续的螺旋折流板结构,这种结构文献中报道较少,张正国等[11]和英国公司[12]均有相关专利。另外辽宁石油化工大学陈世醒[13]又提出了一种特殊形式的折流板。商利艳[14]等分别对螺旋角为12°、18°、30°、40°的单螺旋板折流换热器性能进行了实验研究,随着螺旋角的减小传热效果增强,但压降增大,得出螺旋角为18°的综合性能最好。王树立[15]等实验结果表明最佳的螺旋角与壳程流体的雷诺数有关。 2·5 自支承结构[8~16] 管子自支承的共同特点是靠管子自身变形的突出部位相互支承,同时又达到了强化传热功能,主要有刺孔膜片式、螺旋扁管式、变截面管式、新型的管束自支承结构等形式。 2·5·1 刺孔膜片式 刺孔膜片式是在每根换热管两侧相距180°开沟槽,沟槽中嵌焊冲有孔和毛刺的膜片,膜片将同一平面上的一排管连接为一个整体,并将整个壳程空间分隔为若干彼此平行的区间。膜片上的毛刺具有扰流作用,增大了流体湍流程度;同时,使流体通过小孔实现了混合。由于刺孔膜片嵌焊于管壁上,是管壁的延伸,增大了有效传热面积,并且刺和孔不断使换热表面上的边界层更新,使层流厚度减薄,提高了传热系数,壳程流体完全纵向流动,壳程压力很低。 2·5·2 变截面管式 变截面管是普通圆管用机械方法压制而成的,即按一定节距压制出互成90°(正方形布管)或互成60°(三角形布管)的扁圆形截面,利用这种变截面管互相支承并构成扰流元件。这种换热管束排列紧凑,单位体积内的换热面积大。因管间距小,提高了壳程流速,增加了壳程的湍流程度;换热管截面形状的变化又促进了管程传热。初步研究表明,变截面管内传热系数比光管高20%~35%,压降高2~4倍,壳程传热综合性能良好,并且消除了流体诱导振动的根源。 2·5·3 新型的管束自支承结构 江楠[17]等提出了一种新型的管束自支承结构,该结构将太阳棒针翅管或钉头管与变截面混合管束支承有机结合在一起。李华[18]等的研究表明其具有相当理想的强化传热效果,并提出了优化条件:针翅长径比3~6,针翅长度15~36 mm,针翅直径4mm~1/5 d(d基管外径),针翅纵向间距大于10mm,且纵向间距与针翅直径比大于2。图5中1~12号管为钉头管,每个环向截面上的6个钉头管成等间距分布,管束中心的每个光管都由3个不同方向的钉头支承,从而确保管子的定位,钉头管截面如图6所示。从强化传热角度看,各钉头在换热管上有规律的分布,构成诸多扰流元,破坏流体边界层起到强化传热作用。从自支承角度看,各钉头均匀分布在管束中,从各方向支承管子,使管子各段受力均匀,起到良好的支承和抗振作用。 3 结语 强化传热元件的开发必然会带来多种壳程、管程结构研究的进步。工业应用结果表明多种强化传热元件的研究成果是一个基础,可以根据不同的操作条件、不同的使用工况,组合成各类新型高效换热器,如横纹管折流杆换热器,螺旋槽管与纽带的复合强化传热等,以节省金属材料,降低成本,获得较高的经济效益。把高效传热管与新型管束支承结合起来进行试验研究已成为换热器今后发展的一个重要方向。 参考文献: [1] 邓先河,邓颂九·螺旋槽管管壳式换热器的传热与阻力研究[J]·化学工程,1991,(1):12-14· [2] 程俊国,冯俊,等,螺旋管的传热及流阻性能[J]·重庆大学学报,1980,(3):81-94· [3] 李志安,任克华,等·波纹管换热器设计标准介绍及相关问题的探讨[J]·压力容器,2007,24(4):61-65· [4] 鞠在堂·螺旋扁管换热器[J]·化工装备技术,2003,24(5):19-22· [5] 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