管壳式换热器传热强化及技术进展情况

点击：1942 日期：[ 2014-04-26 22:32:07 ]

摘要：从传热过程出发，分析了传热强化的主要途径，从传热强化的机理出发，介绍了近年来强化管壳式换热器换热技术的进展及相关实用情况。随着现代工业的快速发展，对能源的需求越来越大，而利用高效换热器可以吸收化工、石油生产过程中存在的大量余热，既节约了能源，又减少了污染。与板式、板翅式换热器相比，管壳式换热器由于其适用性广、坚固耐用、密封性较好以及其结构简单、清洗方便是石油、化工等领域应用最普遍的一种换热器（占整个换热器设备的７０％以上）。因此，如何最大限度地利用热能和回收热能，强化管壳式换热器成为人们所研究的重点之一。１传热强化的主要途径由传热过程分析可知，单位时间内传热量如（１）式所示： Φ＝ＫＡ△ｔｍ（１）可见，增大传热面积（Ａ）、传热系数（Ｋ）和平均温差（△ｔｍ）都可以增大传热量（Φ）。１．１增大传热面积１）合理优化结构，如采用合适的内外导流筒［１］，增大有效传热面积。２）增大传热的扩展表面，如在管内外增加肋片或翅片，提高单位容积内设备的换热面积，来增强换热。３）将管壳式换热器串联增大换热面积。１．２增大传热平均温差传热平均温差的大小主要由冷热两种流体的温度所决定，当两边流体均为变温的情况下，应当尽可能考虑从结构上采用逆流和接近逆流的流向以得到较大的△ｔｍ值。１．３增大传热系数传热过程中，各热阻与总传热系数关系如下［２］：Ｒ＝＝１Ａ０＋ＲｉＡ０＋（１＋Ｒ０）＋η０Ｒｗ（２）１ｋｈｉＡｉＡｉｈ０式中：Ｒ—总传热热阻，ｍ２ｋ／Ｗ； —— Ｋ— ——总传热系数，Ｗ／ｍ２ｋＡ０— ——管外的面积，ｍ２；ｈｉ — ——管内的对流换热系数，Ｗ／ｍ２ｋ；Ａｉ— ——管内的面积，ｍ２；Ｒｉ— ——管内的污垢热阻，ｍ２ｋ／Ｗ；ｈ０ — ——管外的对流换热系数，Ｗ／ｍ２ｋ；Ｒ０— ——管外的污垢热阻，ｍ２ｋ／Ｗ； η０— ——肋面总效率（如果表面未肋化，则 η０＝１）；Ｒｗ— ——管壁的导热热阻，ｍ２ｋ／Ｗ。要增大总传热系数，就要设法减小对Ｋ值影响较大的项。如果污垢热阻较大时，则应主要考虑如何防止或延缓垢层的形成或使污垢层清洗方便。当ｈｉ和ｈ０差别不大时，最好能同时提高两流体的对流换热系数；而当两者差别较大时，要设法增大换热系数较小的一项。２管壳式换热器传热强化技术进展强化传热一般分为主动强化传热（有源强化）与被动强化传热（无源强化）两种。主动强化传热技术由于受到外加能量限制，因而工程主要采用被动强化传热技术，即通过增加单位体积内的传热面积或者提高传热系数增加传热量。目前，管壳式换热器的传热强化技术主要包括管程和壳程的传热强化研究。现分别介绍如下：２．１强化管程技术１）螺旋槽纹管［３］。螺旋槽纹管其形状为管壁被挤压成螺旋槽状，用以强化管内气体或液体的传热及管内液体的沸腾和管外气体的冷却。其强化机理是流体在管内流动时，沿螺旋槽运动产生局部二次流，有利于减少边界层的厚度，还有一部分流体沿着轴向运动，产生漩涡引起边界层的分层及边界层分离。其传热性能较光滑管提高２￣４倍。２）横纹管［４，５］。横纹管其形状为管壁被挤压成与管子轴线成９０° 的横纹，在管壁内形成一圈一圈突出的圆环。用以强化管内气体和液体的传热及管内气体的冷凝。当流体流经横纹管的圆环时，在管壁上形成轴向漩涡，增加了流体边界层的扰动，有利于通过边界层传递热量。当漩涡将要消失时，流体又经过第二个圆环，从而保证轴向漩涡不断生成。１９８７年茂名石化公司炼油厂选用了两台ＦＢ８００１８０４０２Ⅱ型横纹管换热器，用作原油渣油换热器，运行四年半年后经工厂标定，在压降相近的情况下，比光管换热器的总传热系数提高８５％，在相同负荷时，可节约４０％的面积，而且基本无结垢和腐蚀现象。３）波纹管［６］。波纹管是将光管加工成波纹形状的翅片，当流体流经波峰时，速率增加，静压降低，而当流体流经波谷时，速率减小，静压增大。周期性的变化增加了流体的扰动，促使湍流产生，从而增大了传热系数。该管较普通的光管换热器效率提高２￣３倍。４）缩放管。缩放管是由依次交替的收缩段和扩张段组成的波形管道。在扩张段中流体速度降低，静压增加；在收缩段中流体速度增加，静压减小。周期性的变化产生剧烈的漩涡冲刷流体边界层，使其减薄。缩放管可强化管内外单相流体的传热，在同等流阻损失下，Ｒｅ＝１×１０４～１×１０５范围内，传热量比光管增加７０％。该管可用于多种类型换热器，如空气预热器、油冷却器、冷凝器以及废热锅炉等。５）管内插入物［７］。用插入物强化管内单相流体传热，尤其是高黏度流体的传热。管内插入物强化传热的机理是，利用插入物使流体产生径向流动，从而加强流体的混合，获得较高的对流换热系数。中国石化北京设计院与华南理工大学联合研制的交叉锯齿型插入物，是华南理工大学对１２种内插件（在Ｒｅ＝３００～３５００和Ｐｒ＝１３５范围内）进行比较后优选的型式，可直接形成流体的混合，尤其适用高黏度流体的换热，在上海乙烯厂原油—蜡油介质换热器中使用，其总传热系数与光滑管相比提高了５０％。６）锯齿形翅片和花瓣形翅片［８］。锯齿形翅片与螺旋槽纹管相比，翅片距更密，翅片外缘开有锯齿缺口，其传热面积更大，由于翅片顶部呈错开锯齿状，促进了冷凝液体的对流换热，是光滑管的６倍。花瓣形翅片是一种特殊的三维翅片结构强化传热管。其形状是翅片从翅顶到翅根都被割裂开，翅片侧面呈一定的弧线，从侧面看，各翅片成花瓣状。其肋化系数是光滑管的２．５倍，增大了换热面积，冷凝传热系数为普通滑管的５￣１８倍。２．２强化壳程换热弓型折流板换热器是应用最普遍的一种传统管壳式换热器，它的弊端在于：沿程压降较大；易出现流动死区、旁流和漏流，容易积垢；较高的质量流速，易诱导换热管的振动，缩短了管壳式换热器的寿命。因而，强化壳程的研究主要是壳程结构的优化，将壳程流体的流动由传统的横向冲刷变为与管内流体基本逆流的纵向冲刷，提高换热系数，防止流体的振动。１）折流杆换热器。折流杆式换热器是一种以折流栅代替折流板的换热器，它由排布的支撑杆形成一系列的壳程折流，每副单一的折流栅的主要构件包括支撑杆、折流环交叉支撑拉杆、分隔板和纵向滑动杆。支撑杆杆端均焊接在圆环折流环上，采用４种不同布置方式的折流栅构成折流栅组。华南理工大学和大庆石油化工总厂共同开发了折流杆螺旋槽管再沸器，已用在无相变及有相变冷凝传热方面，其总传热系数比普通光滑再沸器提高了１．２～１．７倍，而且能有效地防止流体诱导的振动破坏，抗振性能良好。２）螺旋折流板［９］。螺旋折流板通过改变壳程折流板的结构，使壳侧流体呈连续的螺旋状流动。螺旋折流板之所以强化传热是因为：一方面流体在壳侧的流动更加接近于柱塞状的流动，提高了传热温差；另一方面，螺旋流动使壳侧流体半径方向上存在速度梯度，并且破坏了边界层从而强化了传热。２０世纪９０年代初由ＡＢＢ公司开发出系列产品，在实际应用中取得了良好的效果，尤其对于高黏度流体效果更加突出。

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