宋立法，董林峰

（山東魯潤熱能科技有限公司，山東濟(jì)南 250305）

1 管殼式換熱器概述

管殼式換熱器又稱列管式換熱器，是指將管束封閉在殼體中，以管束壁面作為傳熱面的間壁式換熱器[1]。管殼式換熱器以金屬材料制造，結(jié)構(gòu)簡單，操作可靠，其工作原理是一種流體在管內(nèi)流動(dòng)、另一種在殼側(cè)流動(dòng)，經(jīng)換熱管壁實(shí)現(xiàn)熱量交換[2]。它由殼體、管束、管板、擋板、管箱等組成，其中，殼體是圓筒形，管束在其內(nèi)，管束固定在管板上；經(jīng)管內(nèi)流動(dòng)的管程流體和管外流體的殼程流體進(jìn)行流體的相互換熱；擋板安裝在殼體內(nèi)，因其能提高殼程流體速度，增大流體湍流度，用于提高管外流體傳熱分系數(shù)；管板上的換熱管一般排列成三角形或正方形，前者較緊湊，管外流體湍流高，傳熱分系數(shù)大，后者便于清洗、對易結(jié)垢流體較適用。

雖然在結(jié)構(gòu)緊湊性、傳熱強(qiáng)度、單位金屬消耗量方面，管殼式換熱器與板式、板翅式換熱器無法比擬，但具有適應(yīng)性強(qiáng)、生產(chǎn)成本低、處理量大、適應(yīng)高壓高溫的特點(diǎn)，而且設(shè)計(jì)、制造、加工方法均較完善，操作壓力范圍為真空到41.5 MPa，操作溫度為-100～1100 ℃，傳熱面積廣，在石油化工領(lǐng)域中應(yīng)用較廣[3]。

為響應(yīng)國家節(jié)能減排優(yōu)化政策，應(yīng)對管殼式換熱器的結(jié)構(gòu)、原理進(jìn)行分析，并找出其常見故障進(jìn)行針對性規(guī)避，強(qiáng)化傳熱理論及換熱器技術(shù)發(fā)展。

2 改進(jìn)思路及措施

2.1 易出現(xiàn)的故障及改進(jìn)

（1）管束振動(dòng)。管束振動(dòng)會(huì)引起管板和換熱管間氣孔及缺陷擴(kuò)大，嚴(yán)重會(huì)擊穿或疲勞開裂。換熱管固有的頻率影響著振動(dòng)，而頻率受管束結(jié)構(gòu)、尺寸影響。應(yīng)以預(yù)防振動(dòng)為改進(jìn)思路，主要措施有：減小跨距；使用大管徑增加管剛性；加大管間距，減少碰撞；降低進(jìn)出口流速，加支撐；增加管材厚度以提高剛性；增加折流板厚度，減少管壁和管孔間隙抑制振動(dòng)等。

（2）溫差應(yīng)力。管殼程流通間溫差較大，多管程換熱器間也如此。溫差使管板兩側(cè)與換熱管間產(chǎn)生溫差應(yīng)力，達(dá)到一定數(shù)值后會(huì)使金屬發(fā)生塑性變形，進(jìn)而導(dǎo)致泄漏。應(yīng)以減小溫差為改進(jìn)思路，主要措施有：提高管板抗應(yīng)力，增加管板厚度提高管板抗彎能力，考慮采用圓弧形彈性管板，以便于承壓和吸收熱膨脹溫差；降低殼體軸向剛度，于殼體上靠近管板處設(shè)膨脹節(jié)，以滿足變形協(xié)調(diào)量，降低管板和管子的拉脫力。

2.2 利用強(qiáng)化傳熱節(jié)能技術(shù)

基礎(chǔ)傳熱理論為選擇管兩側(cè)內(nèi)傳熱系數(shù)偏小的進(jìn)行增大，以有效改進(jìn)整體傳熱系數(shù)。因無法準(zhǔn)確確認(rèn)工況下是增大管內(nèi)還是管外傳熱系數(shù)，所以強(qiáng)化傳熱節(jié)能技術(shù)應(yīng)從管內(nèi)、管外、管束整體強(qiáng)化傳熱類型入手，對每種類型進(jìn)行細(xì)化，以合理選擇搭配適應(yīng)不同的工作環(huán)境，才能發(fā)揮更好的強(qiáng)化節(jié)能效果。

2.2.1 管程強(qiáng)化傳熱

強(qiáng)化傳熱管是傳熱研究中的重點(diǎn)，管程強(qiáng)化傳熱技術(shù)可以把分為兩種，即改變換熱管形狀和管內(nèi)插物[4]。改變換熱管形狀是指改變外觀形狀，加大管程流體的傳熱面積和湍流速度，有伸縮管、螺旋槽管、波紋管、翅片管等形式，后來經(jīng)改進(jìn)、優(yōu)化還出現(xiàn)了螺旋扁管、新型三維內(nèi)肋管的類型。螺紋管換熱器自1964 年開始應(yīng)用，20 世紀(jì)80 年代大量應(yīng)用在南京煉油廠的減壓裝置[5]。

（1）螺旋槽管有單頭和多頭兩種形式，是經(jīng)光滑管軋制而成，對管內(nèi)液體沸騰、氣液體傳熱、管外蒸汽冷凝進(jìn)行了強(qiáng)化。管上的螺旋溝槽能讓管內(nèi)壁處流體產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)流及二次流，可有效減薄邊界層，使壁面熱阻降低，強(qiáng)化傳熱。隨著計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)的開展，螺旋槽管強(qiáng)化傳熱得到了大量模擬研究數(shù)據(jù)，在湍流工況模擬情況下，比光管、螺旋槽管的努賽爾數(shù)（Nusselt number）和阻力系數(shù)有明顯增大，分別達(dá)到光管的1.6～2.1 倍及1.5～4.5倍，流速增大換熱器性能也明顯增大。對螺旋槽管的污垢模擬研究顯示，熱阻是光管的52%～88%、努賽爾數(shù)是光管的1.8 倍。在流體速度增高0.5 m/s 時(shí)，污垢熱阻系數(shù)降低了10%～20%，對避免污垢堆積有明顯作用。

（2）翅片管是由光管經(jīng)焊接或脹接連接的翅片，不僅加大了傳熱面積，還加大了擾動(dòng)，有利于提高雷諾數(shù)、減少邊界層厚度，對殼程熱阻大的情況作用明顯。翅片形狀有矩形、T 形、花瓣形、釘翅形等，其中釘翅可利用翅片支撐、無需折流板，因此提出了異形釘翅管。有試驗(yàn)顯示，在光管外錯(cuò)列設(shè)置多個(gè)釘翅的異形釘翅管傳熱系數(shù)是光管的100 倍、努賽爾數(shù)是光管的65～105倍，其傳熱效果較佳。

（3）螺旋扁管是依靠自身的管束結(jié)構(gòu)以自支撐功能的換熱管。橫截面為橢圓，管道為螺旋狀，等距螺距，經(jīng)管道間外緣螺旋線點(diǎn)的接觸以自支撐。管內(nèi)外均為螺旋通道，流體沿通道產(chǎn)生周期性縱向旋轉(zhuǎn)二次擾動(dòng)，以充分混合流體，能減少污物及邊界層沖刷減薄，進(jìn)而提升熱能傳遞速率。因殼程折流構(gòu)件減少支撐，介質(zhì)流動(dòng)為螺旋，減小了流動(dòng)阻力。使流動(dòng)死區(qū)和管束振動(dòng)減少，也節(jié)減了熱換器占用空間。有研究顯示，工業(yè)上螺旋扁管傳熱效率為光管的1.7 倍，可節(jié)省熱面積63%。它比其他熱換管的綜合性能更強(qiáng)且自潔性能好，可用于印染廠熱污水或鍋爐電廠爐渣水等易結(jié)垢場合。

（4）新型三維內(nèi)肋管的傳熱性能較好，是在光管基礎(chǔ)上經(jīng)多種加工工序而形成的有規(guī)律性的內(nèi)外表面鱗片狀或針刺狀?？杉訌?qiáng)流體擾動(dòng)、破壞熱邊界層形成，進(jìn)而擴(kuò)展換熱面積。有研究顯示，新型三維內(nèi)肋管的換熱效率是光管的2 倍，并在其基礎(chǔ)上內(nèi)插樹枝狀調(diào)控結(jié)構(gòu)，能提高綜合傳熱性能15.7%～86.2%。與其他換熱原件搭配還能進(jìn)一步提升換熱效果。但目前因新型三維內(nèi)肋管的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)較復(fù)雜，還需對其進(jìn)行進(jìn)一步研究。

管內(nèi)插物是實(shí)現(xiàn)節(jié)能換熱技術(shù)的常用方法，具有裝拆方便、易于除垢、維護(hù)成本低的特點(diǎn)。國內(nèi)外經(jīng)過研究已開發(fā)出多種內(nèi)插件，包括紐帶、螺旋片、螺旋彈簧、縱向渦輪發(fā)生器、多孔介質(zhì)。不同的結(jié)構(gòu)類型的內(nèi)插件換熱機(jī)理也有所不同，按其總的強(qiáng)化傳熱機(jī)理可分為形成二次流、產(chǎn)生渦輪、分離流體、抑制邊界層發(fā)展、中心流和管壁流體置換。經(jīng)過傳熱機(jī)理的改變提高傳熱系數(shù)和性能，進(jìn)而達(dá)到高效節(jié)能目的。當(dāng)前對一些新型內(nèi)插件的研究在不斷繼續(xù)，青島大學(xué)的學(xué)者對“潔能芯”（一種管殼式換熱器強(qiáng)化傳熱與自清潔技術(shù)）在火電廠、核電廠的應(yīng)用實(shí)踐進(jìn)行研究，結(jié)果顯示，“潔能芯”的節(jié)能效果能提高20%，其具有較強(qiáng)的自清潔能力和傳熱多種功能。

從換熱器不斷改進(jìn)和發(fā)展的思路看，研制高效、新型的管內(nèi)強(qiáng)化熱元件需加強(qiáng)對傳熱元件理論及技術(shù)的分析，在遵循強(qiáng)化傳熱的原理基礎(chǔ)上，應(yīng)用協(xié)同原理，經(jīng)計(jì)算機(jī)仿真模擬結(jié)合正交化，以獲得最佳的元件結(jié)構(gòu)參數(shù)。另外，應(yīng)加大分析不同流動(dòng)狀態(tài)下、不同場下的傳熱元件性能，以獲得各種流場、溫度場、壓強(qiáng)場的變化關(guān)系，進(jìn)而設(shè)計(jì)出更加節(jié)能、高效的內(nèi)插件。

2.2.2 殼程強(qiáng)化傳熱

當(dāng)殼程介質(zhì)為液體時(shí)，常規(guī)的弓形折流板換熱器不僅流動(dòng)阻力較大，振動(dòng)也較大，能量會(huì)受到損失。所以，改進(jìn)的方向及重點(diǎn)應(yīng)為殼程傳熱強(qiáng)化。因此，誕生了異形折流板，如螺旋折流板、螺旋葉片、整圓折流板、花隔板等，其中螺旋折流板的改善效果最明顯[6]。它是20 世紀(jì)80 年代時(shí)由美國人于提出，1998 年我國第一臺(tái)單殼程螺旋折流板應(yīng)用到撫順石油二廠，由多塊橢圓扇形平板首尾連接，平面內(nèi)角25°～40°，形成螺旋面狀，使殼程流體呈現(xiàn)出螺旋流動(dòng)。與弓形折流板換熱器相比，殼程壓力損失較小、傳熱系數(shù)高。有研究通過PIV 測速螺旋折流板換熱器，結(jié)果顯示，殼程流體沖刷換熱管和折流板的角度為斜向，管束振動(dòng)有所降低。管間流體順著軸線波動(dòng)速度能使流體擾動(dòng)增加，降低邊界層厚度，有利于傳熱系數(shù)增大。但螺旋折流板結(jié)構(gòu)無法實(shí)現(xiàn)無縫連接，部分流體在縫隙處平行軸線流動(dòng)，不利于螺旋流動(dòng)及傳熱。學(xué)者對此進(jìn)行了進(jìn)一步研究，通過對連續(xù)折流板換熱器數(shù)值模擬，獲得了連續(xù)螺旋折流板螺旋節(jié)距、傳熱效果變化規(guī)律關(guān)系、螺紋節(jié)距間的計(jì)算關(guān)系。另外，有學(xué)者研究了高溫、高壓下單殼程螺旋折流板結(jié)構(gòu)受傾角限制，提出了適用范圍更廣的雙殼程螺旋折流板。

2.2.3 整體強(qiáng)化傳熱

整體強(qiáng)化傳熱可通過改變管束實(shí)現(xiàn)，加工簡單、常用于更新設(shè)備，強(qiáng)化效果好，主要有扭曲扁管換熱器和交錯(cuò)扁管換熱器。扭曲扁管換熱器把圓管軋制成橢圓形的橫截面，外緣為螺旋線。管束中不設(shè)置折流板，換熱管間由外緣線進(jìn)行點(diǎn)支撐。管束由扎箍固定，形成緊密螺旋流道。因管程和殼程均為螺旋流，能旋轉(zhuǎn)形成二次流，不僅能提高流體湍流程度，還能預(yù)防污垢堆積，減薄邊界層厚度。交錯(cuò)扁管換熱器經(jīng)圓管壓輥滾壓，間隔一定節(jié)距制成90°扁圓形截面，組成管束，截面長軸相互支撐為殼程擾流元件。這種換熱器也不設(shè)置折流板，流動(dòng)死區(qū)和成本明顯減少。在軸線管型變化下殼程流體產(chǎn)生復(fù)雜流動(dòng)，特別是變化處湍流交錯(cuò)，攪動(dòng)性較強(qiáng)，有利于傳熱強(qiáng)化。殼程流體沖刷管壁起到清潔作用，能有效減少污垢堆積。換熱管間有點(diǎn)接觸，殼程流體流動(dòng)為縱向，同管內(nèi)的流體相互產(chǎn)生逆流，既提高了換熱管效率，還能克服振動(dòng)、強(qiáng)化傳熱。

3 改進(jìn)發(fā)展方向

當(dāng)前國內(nèi)外已對換熱器領(lǐng)域進(jìn)行了大量研究，重點(diǎn)多聚集強(qiáng)化管程及殼程的技術(shù)方面。為進(jìn)一步強(qiáng)化換熱器的性能，實(shí)現(xiàn)節(jié)能環(huán)保效應(yīng)，應(yīng)加大對其細(xì)化分析，從管程節(jié)能技術(shù)、結(jié)垢、流動(dòng)阻力上進(jìn)行深入研究。

（1）改變流體狀態(tài)，增加流速。設(shè)計(jì)中，可增加管程、殼程分程數(shù)以促進(jìn)流速、流程長度、擾度。選擇管程時(shí)，在確保壓降和避免腐蝕基礎(chǔ)上增加流速。殼程加設(shè)擋板能提高流速，讓流體流經(jīng)所有管面。改變流體沖刷角度以增強(qiáng)管外傳熱系數(shù)，流速增大可改變流體狀態(tài)、提高湍流程度、增加傳熱性能，但應(yīng)注意權(quán)衡流動(dòng)阻力，選擇適宜流速。

（2）改變換熱面積?？梢愿鶕?jù)換熱介質(zhì)性質(zhì)和工藝要求等，選用異形管、加肋片管、翅片管等。

（3）定期清洗，減少污垢熱阻。經(jīng)過一段時(shí)間使用后，換熱器管壁會(huì)堆積污垢、不利于傳熱，可進(jìn)行機(jī)械、化學(xué)清洗或酸洗、堿洗，減少污垢熱阻。

4 總結(jié)

綜上所述，管殼式換熱器運(yùn)行涉及管內(nèi)、管外、管程等，可以根據(jù)換熱器的發(fā)展歷程、結(jié)構(gòu)、強(qiáng)化傳熱機(jī)理，在節(jié)能技術(shù)方面進(jìn)行適宜的改進(jìn)設(shè)計(jì)，以改變流體流動(dòng)、增加流速、改善換熱面，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)管內(nèi)、管外對流傳熱系數(shù)的提高，強(qiáng)化傳熱效率。