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欧阳惕黄德斌
摘 要: 介绍了管壳式换热器壳程强化传热方面所展开的研究工作及取得的成果, 指出了强化传热技术的研究方向。
关键词: 管壳式换热器; 壳程; 强化传热
引 言
管壳式换热器在化工、石油、动力、冶金、制冷、原子能、造船、食品等工业部门中有着广泛的应用。近40 年来, 国内外对管内强化传热进行了大量的研究, 取得了丰硕的成果,目前已有的强化传热管技术不下百余种。相比之下, 壳程强化传热方面的研究远远没有管程研究的广泛和深入。直到20 世纪70 年代, 壳程强化传热技术才开始受到重视, 并取得了较大进展。
壳程强化传热的途径主要有2 种: 一种是改变管子外形或在管外加翅片, 即通过管子形状和表面特性的改变来强化传热, 如螺纹管、螺旋槽管、外翅片管等强化传热管技术; 再一种是改变壳程挡板或管间支撑物, 以减少或消除壳程流动与传热的滞留死区, 使传热面积得到充分的利用。第一种途径与管内强化传热技术机理一致, 已有很多文献报道。管壳式换热器壳程挡板或管束支撑物的发展表现为折流板的改变, 其目的是将泵功最大程度用于增强传热方面, 而不是消耗于管间支撑物。现有的支撑形式有板式支承、杆式支承、空心环支承和管子自支承。
1 板式支撑结构
传统的管壳式换热器采用单弓形折流板支承, 壳程流体易产生流动死角, 传热面积无法被充分利用, 因而壳程传热系数低、易结垢、流体阻力大。并且当流体横向流过管束时,还可能使管子产生诱导振动, 破坏管子及其与管板连接的可靠性。因此, 为了消除它的弊端, 近20 年来出现了许多新型的壳程折流板支承结构, 如多弓形折流板、整圆形板、异形孔板、网状板、弓形折流板加平行分隔板、螺旋折流板等。这些新型折流板支承结构的共同特点是尽可能地改善壳程流体流动和传热死区, 降低壳程流体流动阻力, 而且管束的抗振性也能得到增强。
1. 1 双弓形及三弓形折流板
双弓形折流板在换热器壳侧将流体分成两股平行束, 横向流动的长度(即横流经过的列管数) 大致为具有同样缺口的单弓形折流板的一半, 与具有相同折流板间距和缺口的单弓形折流板相比, 双弓形折流板的压降为可比设备相应值的30 %～ 50 % , 而传热系数是可比设备相应值的60 %～ 80% [1 ]。类似于双弓形折流板, 三弓形及多弓形折流板则在换热器壳侧将流体分成三股或多股流。
1. 2 整圆形折流板
为了尽可能地改变弓形折流板支承的横向流动为平行于管子的纵向流动, 消除滞留死区, 提高流体在壳程的流速,在电站和石油化工中, 出现了整圆形折流板。最初出现的整圆形折流板在板上钻大圆孔, 既让管子通过, 又有足够的间隙让流体通过。管内外流体总体呈纵向流动, 传热温差推动力大, 并且由于管壁与孔板之间的圆环间隙通道对流体可产生射流作用, 使流体离开空口很快就形成湍流, 使壁面不易结垢, 壳程传热得到强化。但整圆形折流板增大了换热器壳体的直径, 并且由于缺乏管子支承结构, 这种换热器的管束抗振性能也很差。为改进大管孔整圆形折流板的不足, 在管孔之间开小孔, 使传热介质由小孔通过折流板, 这样就不用增大壳体的直径了。
带小孔的整圆形折流板在管孔与管子之间的间隙内很容易积垢, 引起腐蚀。为了弥补这一缺陷, 出现了矩形孔、梅花孔等异形孔的折流板结构, 这种折流板既能支承管子, 又能让传热介质流过折流板, 当介质流过管孔时, 能产生射流,对管子有冲刷和自清洁作用, 从而消除了管子结垢和垢下腐蚀。
异形孔板虽然优点很多, 但加工制造相对困难, 费用偏高, 因此工业上又出现了网状整圆形折流板。其折流板为整圆, 以每四个同一行的相邻折流孔为一组, 在小桥处铣通, 壳程流体从铣口通过折流板, 成全面积均匀纵向流动[2 ]。
1. 3 弓形折流板加平行分隔板
在单弓折流隔板管壳式换热器的两折流隔板间平行插入了一块或数块平行流分隔板, 可将原通道改为多股平行通道, 将原单股流分为多股平行流。这样, 就能有效控制板间回流死区的涡尺度, 使板间流场得以均化及管间流阻得以减少。在Re 不太高的情况下加两块平行流分隔板后, 能在一定程度上控涡均化壳侧流场, 并且能起到较好的强化传热效果。带平行流分隔板的弓形隔板换热器的强化传热综合性能评价因子在测量的Re 范围内, 其值约为1. 20～ 1. 15 左右,强化因子随Re 数的增加而减小, 这种强化传热技术适合在中低雷诺数下采用[3 ]。
1. 4 螺旋折流板
螺旋折流板是将传统的垂直弓形板换成螺旋状或近似螺旋状的折流板, 折流板与换热器壳体横断面有一个倾斜角度, 使得流体在壳程沿螺旋通道流动。按流道多少螺旋折流可分为单头或双头。图1 为流体在弓形折流板和螺旋折流板换热器壳侧流动情况对比的示意图。
螺旋折流板换热器的螺旋折流板使流体在壳侧呈连续柱塞状螺旋流动(即p lug 流) , 不会出现传统折流板换热器内的流动“死区”, 并且由于旋流产生的涡与管束传热界面边界层相互作用, 使湍流度大幅度增强, 有利于提高壳侧传热膜系数。
2 杆式支撑结构
为了解决传统折流板换热器因流体横向冲刷管束引起的振动和破坏问题, 出现了折流杆支承结构。折流杆支承结构由折流栅和支承杆组成。折流栅是由在一圆环(折流圈) 上焊接一定数量的圆杆(折流杆) 构成, 每四个不完全相同的折流栅构成一折流栅组(图2)。折流栅上的折流杆交错穿插于管子之间, 折流杆的直径约等于相邻管子之间的间隙, 管子被折流杆紧紧夹住。
由于折流杆换热器壳程流体为纵向流动, 基本不存在流动死区。另外, 流体流过折流杆(圆杆) 后在其两侧交替产生和脱离旋涡(卡漫涡街) , 且流体流过折流栅时流通截面缩小, 之后又扩大, 从而产生文丘里效应。由于卡漫涡街和文丘里效应的作用, 使流体对管壁形成较强烈的冲刷, 从而减薄了传热边界层, 也就强化了壳程传热。
3 空心环支撑结构
空心环支承结构是采用空心环网板取代折流板做管间支撑物。空心环由直径较小的钢管截成短截, 均匀地分布于管间的同一截面上, 与管子呈线性接触, 使管束相对紧密固定而成。空心环支承传热管束的示意图如图3 所示。采用空心环管间支承可大幅减少气体因在壳程作反复折流而损失的流体输送功, 依靠增加管间气速提高管外传热膜系数, 达到流体输送功的最佳利用。二是采用粗糙型传热管, 如缩放管、低肋管、花瓣管等, 强化流体纵向冲刷时的对流换热。
4 管子自支撑结构
为简化管束支撑、提高换热器的紧凑度, 近年来开发出一些自支撑管, 如刺孔膜片管、螺旋扁管和变截面管等。这类管靠管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, 同时又组成壳程的扰流元件, 增大了流体自身的湍流度, 破坏了管壁上的流体边界层, 从而使壳程传热进一步增强。
5 结语
管壳式换热器壳程强化传热技术的发展表现出2 个特点: 一是壳程内流体流动由横向流动变为平行于管子的纵向流动, 使流动压降减小, 传热面积得到充分利用; 二是支撑形式向着低流阻、结构简单、制造方便和 省材方向发展。通过对壳程强化传热研究的探讨, 将低流阻、高传热效率的壳程强化传热支撑结构与高效强化传热管相结合的复合强化传热技术, 使整个换热器的传热综合性能得到提高, 将是管壳式换热器发展的方向。
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