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管壳式换热器壳侧在强化传热方面的进展点击：1933 日期：[ 2014-04-26 22:14:15 ] |
| 管壳式换热器壳侧在强化传热方面的进展 1.陈姝 2.高学农 3.徐娓 2.王端阳 （1.仲恺农业技术学院 机电工程系，广东 广州 510225； 2.华南理工大学 传热强化与过程节能教育部重点实验室，广东 广州 510640；3. 茂名学院 机电工程系，广东茂名 525000） [摘要] 本文从有功技术和无功技术两个方面讨论了管壳式换热器在壳侧强化传热方面所取得的一些进展及应用范围，并简介了CFD技术同管壳式换热器结合研究的情况，提出将几种强化技术和计算机辅助设计手段结合起来是将来换热器的发展方向。 [关键词] 管壳式换热器；壳侧；强化传热；CFD 管壳式换热器广泛应用于能源动力、石油化工等行业，同时换热器的性能对产品的质量、能量利用、系统运行的经济性和可靠性等方面有着重要的作用，因此提高换热器性能显得尤为重要。而管壳式换热器的传热阻力往往来自于壳侧，因此对壳侧强化传热是改善换热器性能的主要方式之一。强化传热理论指导强化传热的手段主要有提高平均温差、增大换热面积和扩大传热系数，对于换热器提高平均温差要受到材料的限制，提高传热面积又受空间的限制，因此提高传热系数是换热器强化传热的有效方法，根据是否需要外加动力分为有功技术和无功技术。近 20 年来 CFD 技术作为一种辅助手段，倍受人们的关注，有着很好的研究空间和应用前景。目前对管壳式换热器壳侧流体流速的分析，旁路流、密封效果的定量分析等方面都需要计算机模拟进行辅助研究。 1 有功技术 顾名思义有功技术是需要采用外加动力（机械力、磁场力）的技术。这种技术主要包括：对冷热介质作机械搅拌；换热面震动；换热流体震动；将电磁场作用于流体以促使换热表面附近流体的混合；将异种或同种流体喷入换热介质或将流体从换热表面抽吸走。但是很多有功技术大多只处于试验阶段[1]，其中只有几种方法取得并不广泛的应用。例如静电场法在强化气相、二相流和液体传热实验上效果都比较好也有所应用，有着比较广泛的研究空间和应用前景；射流法在法国研究比较成熟，这种技术已应用于制造陶瓷换热器以适应高温工作条件[2]。 2 无功技术 无功技术同有功技术相反是不需要外加动力的一种强化传热技术。这类强化方式一直以来受到广泛的关注和深入的研究，因此很多方法已应用到工业当中。归纳起来无功技术方法主要有：粗糙面法、扩大传热面积法，添加剂和漩涡流等方法。在实际应用中，往往一种传热元件的改进融合了几种强化传热方法，因此对于管壳式换热器壳程强化传热，下面主要从传热管的与壳程支撑结构改进这两个方面分别介绍已有强化传热方法的特点和适用范围。 2.1 传热管的改进 随着工业的发展，人们对传热效率要求提高了，使得以前一直应用于换热器的普通光管不再满足日益增长的需求，因此经过改进后的各种换热管就应运而生。这些换热管普遍都具有增加换热面积，利用粗糙传热面强化边界层湍流度的特点，但是具体特点又有所不同。 2.1.1 低肋管 低肋管（见图 1）是开发较早的换热管之一，主要应用于强化沸腾传热，它的换热系数不仅较高，而且能有效的扩大传热面积，光管的传热面积只是低肋管的 38%。曾文良[3]等以空气为介质将低肋管螺旋隔板换热器的壳侧传热实验结果与光滑管螺旋隔板换热器的有关文献数据进行对比得出：在相同Re下，低肋管外的膜传热系数是光滑管的 1.4～1.7 倍。但是低肋管也有其自身的弱点：在低热流率下，管子的传热性能在上下两部分相差比较大，上部优于下部，不过随着热流率增加差距会逐渐减少，此外这种管型带来的流动阻力会比较大。 图 1 低肋管 2.1.2 螺纹管 螺纹管是一种由钢管经环向滚压轧制而成的整体低翅片管，适用于强化对流、冷凝传热。从内外螺纹管与光管的对比可看出螺纹管在强化传热和节能等方面的优点：内外螺纹管换热器可提高传热系数，螺纹管的总传热系数为光管的两倍以上；在满足生产的情况下，两台内外螺纹管换热器具有三台光管换热器的传热能力；对于相同结构的管壳式换热器，内外螺纹管的换热面积是光管的 1.5～2.5 倍；螺纹管换热器对污垢的产生可起到延缓和抑制的作用，因而可减少热阻，提高传热效率[4]。 2.1.3 花瓣管 华南理工大学王世平教授等于近年成功研制了花瓣状翅片管[5]（见图 1）。其最大的特点是翅片从翅顶到翅根都被割裂开,翅片侧面呈一定的弧线, 并有相对较小的曲率半径。花瓣状翅片管是一种有三维翅片结构的强化管，管外的翅片结构是有规则的间断的。其强化传热的机理包括两方面：一是花瓣状翅片增加了换热面积，提高传热负荷；二是间断的翅片反复地激发传热边界层上的湍流度，使传热滞流底层减薄或断裂从而起到强化传热效果[6]。其传热效能明显优于国内外所采用的很多强化传热管。 (a)PF 管实物 图 2 花瓣状翅片管（PF 管） 大量研究表明，花瓣管能显著的强化润滑油，空气的对流传热和混合蒸汽的冷凝传热[7~9]。张正国[10]等人指出，螺旋隔板花瓣管油冷却器的总传热系数比螺旋隔板低肋管油冷却器提高10%以上，同时压降也降低 46%左右；螺旋隔板花瓣管空气冷却器的总传热系数比螺旋隔板低肋管空气冷却器提高 20%～30%，同时压降降低 10%～30%[11]。这种传热效能的差别除了是由于传热机理的原因，同样翅片结构上的差异也带来了流动压降的区别，油和空气在具有完全断裂的三维翅片的花瓣管外螺旋流动时的摩擦阻力要比在二维翅片结构的低肋管外小[10]。在加工方面将这两种强化管进行对比得出：虽然他们的加工费用大致相当，但是由于加工方法的差异使得低肋管的管壁厚于花瓣管，因此花瓣管可比低肋管节省材料 30%左右。 2.1.4 管子自支撑结构 近年开发出来的一些自支撑管结构是通过改变传热管的形状既实现了管束间的相互支撑又改变壳侧流体的流动方向以强化传热效果，这种结构省略了壳侧折流板、折流管等支撑部件，令换热器结构更加紧凑。目前开发出来的自支撑结构管有如刺孔膜片管、螺旋扁管和变截面管等。这类管依靠自身的一部分如刺孔膜片、螺旋线或变径部分的点接触来支撑管子, 同时又作为壳程的扰流元件, 增大了流体流动的湍流度, 破坏了管壁上的流体边界层,进而强化壳侧传热效果【12,13】。 为了强化传热，近年来还出现了其它管形，例如：管外冷凝系数为光管 4～5 倍的纵槽管，冷凝给热系数为光管 6 倍、低肋管1.5～2倍的锯齿形翅片管[14]和传热性能比锯齿形翅片管略胜一筹的凹面锯齿形翅片管等等。 2.2 管间支撑结构的改善 传统的管壳式换热器大多采用单弓形隔板支撑，这样使流体呈“Z”型流动，这种流动式促成在隔板和壳壁相连处存在流动死区致使传热系数降低；流体在弓形隔板间的分离引起动量的急剧变化而造成压力的严重损失；在隔板与壳体或（和）管之间旁路流和泄漏流现象严重而降低流体的有效质量流速。为了改善流体在壳侧的传热性能，相继推出一些优化结构。而流体在壳侧中作纵向流动是管壳式换热器中最理想的流动形式[9]，因此这是优化壳侧结构的主要思想。 2.2.1 折流杆式换热器 折流杆式换热器由排布的支撑杆和其他元件形成折流栅来代替折流板而使流体在壳程形成一系列折流，这样既可以防震，还可以增加流动介质的湍流度，提高管间给热系数。折流杆式换热器压降很低，为弓形隔板的 1/4 以下，传热特性比也高，传热强化达 1.3～2.4 倍，已经试制的气-气折流杆换热器和应用于有相变和无相变的流感螺旋槽再沸器，都能获得比较满意的效果[15]。 2.2.2 异型隔板换热器 异形隔板[16-19]是通过对隔板的结构和安排的改变来引起壳侧流体的流动速度和方式的变化，从而减少壳侧易结垢的死区来提高换热系数。并且隔板在列管式换热器中还有支撑管子，实现流体预期速度，减少管子震动的作用。目前常见的异形隔板换热器形式主要有：双弓形隔板，螺旋形隔板。 一般双弓形隔板（见图 2）包括 A 型（双弓形隔板）和 B型（中心隔板），并将他们沿管束方向交替排列。与间距和缺口相同的单弓型隔板相比其压降为 0.3～0.5，传热系数为 0.6～0.8。因此可以看出尽管压降和传热系数均下降，但总体的传热性能还是提高的。 下面侧重介绍一种高效，紧凑的换热设备，其性能优于其它类型的管壳式换热器—螺旋隔板换热器（见图 3）。因其使流体在壳侧作螺旋运动，流体在流道内流动长度增加且流动平滑因而在流道中流速和压差分布比较均匀，所以带来下面一系列优点：挡板和管束或（和）壳壁之间的泄漏流和旁路流和反混现象会大量的减少；流动死区也基本消除，因而使得壳侧污垢面积大大减少，总体上减少了滞留区而增加了湍流度，因此提高了壳侧的传热系数并降低了压降，此外这种结构还能增强管束的稳定性，防止震动。并且经研究可认为[20]，在壳侧流道内加入多孔介质可增加流道内流体的湍流度，提高对流换热系数。实验结果表明，与相同工况下的直挡流板相比，螺旋隔板壳侧努塞而数可提高 49.4%，加入多孔介质后壳侧努塞而数可提高79.5%。此外在螺旋角为 40 度左右时，边界层流体流动形式在流道内表现为全发展流，此时换热器效率最高[18]。 图 4 螺旋隔板换热器 通过已知实验数据可以看出螺旋隔板换热器的优良性能，对于以压缩空气为工质，在相同的 Re下，光滑管螺旋隔板换热器的管外膜传热系数是光滑管弓形隔板换热器的 1.25～1.8 倍[21]；对光滑管螺旋隔板换热器实验结果表明[22]，相同流量下单位压降的壳侧对流传热系数，对低粘度流体，螺旋隔板约为普通隔板的 2.4 倍，对高粘度流体，螺旋隔板约为普通隔板的 1.5倍；若将螺旋隔板换热器作为水蒸气冷凝器，美国 ABB 公司研究结果表明[23]，螺旋隔板低肋管冷凝器比弓形隔板低肋管冷凝器压降降低大约 50%，并且传热面积增加 10%以上；在冷态流动的对比实验结果表明[24]，在壳程流速为 0.01～0.4m/s 时，螺旋隔板换热器比弓形隔板换热器压降降低 20%（流量流速相同的前提下）；还有试验说明[25]，螺旋隔板换热器的传热系数最大可以为理想错流条件下（代表弓形隔板换热器）的 1.39 倍，压降随着螺旋角的不同大约可降低 26%～60%。 一直以来国内外在优化壳侧结构这方面作了很多工作，也提出了很多挡板（杆）结构以强化传热，上面介绍的是几种比较常见和高效的形式。 3 CFD 技术的应用 CFD 是在实验和解析之后又一种研究流体流动、传热和化学反应的方法，可以弥补试验耗资大、周期性长等缺点，运用CFD 技术对管壳式换热器的壳侧流场进行计算机模拟，可以对其他方法难以掌握的壳侧瞬态的温度场和速度场有所了解，利于换热器的机理分析和结构优化。目前比较常见的模拟软件主要有 phoenics, fluent 等，利用模拟软件进行模拟，使 CFD 技术与实验研究相辅相成，以便更好地进行壳程流体流动的分析和设计优化。 4 小结 一直以来，人们对于如何提高管壳式换热器壳程的强化传热效果进行了大量的研究，将多种强化传热技术和辅助手段综合运用于高效的换热设备还在研制中，CFD 技术作为一种辅助手段，有益于换热器的优化设计和评估性能优劣，因此将来换热器的发展方向是将多种强化传热技术与计算机辅助设计手段结合使用。 |
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