管殼式換熱器的研究進展

                                    馮國紅,曹艷芝,郝　紅
                            (太原科技大學(xué)材料學(xué)院,山西太原　030024)
    摘　要:綜述了近年來管殼式換熱器的研究進展,從管程、殼程兩方面介紹了傳熱強化技術(shù)和傳熱強化結(jié)構(gòu)。管程傳熱強化方面主要介紹了一些新型強化管,殼程方面主要介紹了一些新型的支承結(jié)構(gòu),并指出了管殼式換熱器的研究方向。
    關(guān)鍵詞:管殼式換熱器;研究現(xiàn)狀;傳熱性能
    中圖分類號:TQ 051·5　　　　　文獻標識碼:A　　　　　文章編號:1671-9905(2009)06-0041-05
    換熱器是化工、石油、能源等各工業(yè)中應(yīng)用相當(dāng)廣泛的單元設(shè)備之一。據(jù)統(tǒng)計,在現(xiàn)代化學(xué)工業(yè)中換熱器的投資大約占設(shè)備總投資的30%,在煉油廠中占全部工藝設(shè)備的40%左右,海水淡化工藝裝置則幾乎全部是由換熱器組成的。對國外換熱器市場的調(diào)查表明,雖然各種板式換熱器的競爭力在上升,但管殼式換熱器仍占主導(dǎo)地位約64%。新型換熱元件與高效換熱器開發(fā)研究的結(jié)果表明,列管式換熱器已進入一個新的研究時期,無論是換熱器傳熱管件,還是殼程的折流結(jié)構(gòu)都比傳統(tǒng)的管殼式換熱器有了較大的改變,其流體力學(xué)性能、換熱效率、抗振與防垢效果從理論研究到結(jié)構(gòu)設(shè)計等方面也均有了新的進步。目前各國為改善該換熱器的傳熱性能開展了大量的研究,主要包括管程結(jié)構(gòu)和殼程結(jié)構(gòu)強化傳熱的發(fā)展,現(xiàn)簡介如下。
    1　管殼式換熱器管程結(jié)構(gòu)發(fā)展
    管程強化傳熱技術(shù)可歸結(jié)為兩個方面:改變傳熱面的形狀和在傳熱面上或傳熱流路徑內(nèi)設(shè)置各種形狀的插入物。
    1·1　改變傳熱面形狀   其強化傳熱機理為:通過對管子進行各種細微的加工,以期在管子壁面上形成有規(guī)律或無規(guī)律分布的凸起物,或?qū)⒐鼙诒旧硌剌S向制成波紋狀或螺旋凹肋等,這些傳熱面上的各種形狀的凸起物既是無源擾動的促進體,又起斷續(xù)阻斷邊界層發(fā)展的作用。這些強化傳熱管主要有螺旋槽紋管、波紋管、橫紋管、V型縱槽水平螺旋管、變形翅片管、三維內(nèi)肋管、針翅管、旋流管、縮放管等。
    1·1·1　螺旋槽紋管換熱器
    螺旋槽紋管亦稱螺旋槽管,是一種優(yōu)良的高效異形強化傳熱管件,圖1為螺旋槽紋管結(jié)構(gòu),由光滑管在車床上軋制而成,分為單頭和多頭,用于強化管內(nèi)氣體或液體的傳熱、強化管內(nèi)液體的沸騰或管外蒸汽的冷凝。其強化機理為:流體在管內(nèi)流動時受螺旋槽紋的引導(dǎo),靠近壁面的部分流體順槽旋流,有利于減薄邊界層厚度;還有一部分流體順壁面軸向流動通過螺旋槽紋凸起處便產(chǎn)生軸向漩渦,引起邊界層分層及邊界層中流體的擾動,從而加快由壁面至流體主體的熱量傳遞。華南理工大學(xué)[1]和重慶大學(xué)[2]經(jīng)試驗研究及理論推導(dǎo),得出了單頭螺旋橫紋管比多頭螺旋橫紋管的綜合性能好的結(jié)論。美國Argonne國家實驗室和GA技術(shù)公司設(shè)計、制造的螺旋槽紋管換熱器,其傳熱效率比光管提高了2~4倍。
             
    1·1·2　波紋管換熱器
    波紋管換熱管由沈陽市廣廈熱力設(shè)備公司于20世紀90年代初研制成功,由波紋管和接頭兩部分組成,結(jié)構(gòu)如圖2所示。其管壁很薄(0·5~1mm),波峰波谷高度差達10 mm,換熱管可自由伸縮,流體在復(fù)雜截面內(nèi)不斷改變方向和流速,促使紊流增加,邊界層減薄和增強相變換熱等,從而增大傳熱系數(shù)K。在水—水換熱器中,K可達2000~3600W·(m2·℃)-1,在汽—水換熱器中K可達3000~4500 W·(m2·℃)-1,對于其它介質(zhì)其傳熱效率可提高2~4倍,減少換熱面積40%以上。這種高效換熱器還具有不易結(jié)垢、單位容積傳熱面積大、耐腐蝕性強、溫差應(yīng)力小等優(yōu)點。然而,由于波紋管是由薄壁光滑管加工而成,成型后其應(yīng)力狀態(tài)復(fù)雜化,管束的強度和剛度都與光滑管有很大差別,致使管束和管板的應(yīng)力分析困難。為解決這些問題從而使其能更廣泛地應(yīng)用于石油、化工等工業(yè)領(lǐng)域,對波紋管換熱器進行強度研究,建立相應(yīng)的設(shè)計標準是非常必要的。因此制定波紋管換熱器強度設(shè)計標準,于2002年被納入國家鍋爐壓力容器標準化技術(shù)委員會項目,由沈陽化工學(xué)院和沈陽市特種設(shè)備檢測研究院等單位負責(zé)起草,將波紋管換熱器設(shè)計方法列為國家標準GB151《管殼式換熱器》的附錄,并于2004年以名為“奧式體不銹鋼波紋管換熱器設(shè)計標準案例”正式頒布[3]。
             
    1·1·3　螺旋扁管換熱器
    螺旋扁管是瑞典Allards公司推出的高效換熱元件,其結(jié)構(gòu)特點是管子換熱段任一截面類似于橢圓,其長、短軸之比可根據(jù)換熱器管程和殼程的流速確定。螺旋扁管換熱器可以由混合管束(光管和螺旋扁管混合使用)也可以由純螺旋扁管組成。流體在殼程與管程大體呈縱向流動,同時伴隨有橫向螺旋運動這種流速和流向的周期性改變加強了流體的軸向混合和湍流度。同時,流體流經(jīng)相鄰管子的螺旋線接觸點后形成脫離管壁的紊流,增加了流體自身的湍流度,破壞了流體在管壁上的傳熱邊界層,從而強化了傳熱。據(jù)報道[4]螺旋扁管換熱器比普通光管換熱器的總傳熱系數(shù)高40%,而壓降幾乎相等。
    1·1·4　不連續(xù)雙斜向內(nèi)肋管換熱器
    清華大學(xué)過增元院士根據(jù)場協(xié)同理論研發(fā)出2種多縱向渦新型強化換熱元件:不連續(xù)雙斜向內(nèi)肋管和交叉縮放橢圓管。不連續(xù)雙斜內(nèi)肋換熱管是通過軋制等方法在換熱管的內(nèi)壁面形成許多不連續(xù)的、與軸線有一定夾角并向2個方向傾斜的條狀凸起物—雙斜內(nèi)肋。管內(nèi)流體在管壁上多個雙斜內(nèi)肋對的作用下誘導(dǎo)產(chǎn)生多縱向渦流,且渦流主要集中在管壁面附近,從而使對流換熱得到強化,并具有良好的抗結(jié)垢功能。
    孟繼安[5]等的研究表明,當(dāng)Re=500~2300時,與圓管相比,不連續(xù)雙斜向內(nèi)肋管的換熱增強250%~650%,阻力增加120%~300%;交叉縮放橢圓管可提高200%~500%,沿程阻力增加100%~350%;當(dāng)Re=2300~5×104時,不連續(xù)雙斜向內(nèi)肋管換熱可增強110%~240%,阻力增加120%~240%;交叉縮放橢圓管換熱可增強35% ~170%,阻力增加130%~160%。
    1·1·5　變形翅片管換熱器
    為提高翅片管螺旋冷凝蒸發(fā)器的效率,必須改變翅片的幾何形狀,以促進“沸騰縫隙效應(yīng)”的形成。為此,俄羅斯推出一種變形翅片管螺旋冷凝蒸發(fā)器,即將冷壓制直翅片管拉成各種直徑的定徑器(模具),變形后的翅片表面成為半封空腔,汽化過程發(fā)生在翅片表面,而不是在翅片間隙中。變形翅片由于翅片間隙出口較逸出汽泡直徑小,便能維持正常的汽相,從而省去分離兩相所需的能量。采用變形翅片管還可以提高單位管子長度上的熱,這樣不僅強化了汽化過程也擴展了傳熱面積。
    為提高翅片化表面的性能俄羅斯又提出了一種先進方法:氣動噴涂法。其實質(zhì)是采用高速的冷的或稍微加溫的含微粒的流體給翅片表面噴鍍粉末粒子。該方法不僅可噴涂金屬還能噴涂合金和陶瓷(金屬陶瓷混合物),從而得到各種不同性能的表面。氣動噴涂法不但可用于成型,還可用來將按普通方法制造的翅片固定在換熱器管子的表面上,也可用來對普通翅片的底面進行補充加固。
    1·2　管內(nèi)加內(nèi)插物
    用插入物強化管內(nèi)單相流體傳熱,尤其是對強化氣體、低雷諾數(shù)流體或高粘度流體的傳熱更為有效。各種插入強化機理不同,但都主要以改變流道來達到強化傳熱目的。目前管內(nèi)插入物很多,如螺旋線、紐帶、錯開紐帶、螺旋片和靜態(tài)混合器等。試驗研究表明[6],管內(nèi)插入紐帶之后,如果是層流換熱,則對流傳熱系數(shù)可增大2~3倍,最大可達10倍,壓降增加3倍以上。若是紊流換熱,傳熱系數(shù)僅增大30%左右,而壓降增大2倍以上。螺旋線圈大多數(shù)是用于強化油等高粘度流體的換熱。Uttarwar和Raja[7]研究了管內(nèi)插入不同形式的螺旋線圈強化層流區(qū)加熱油的情況,結(jié)果表明內(nèi)插螺旋線圈強化層流區(qū)換熱,傳熱系數(shù)可高達3·5倍,而強化紊流區(qū)換熱時,傳熱系數(shù)只提高30%~50%。繞絲花插入物用于液體工況,可使管殼式換熱器管程傳熱效率提高25倍,用于氣體工況,可使相應(yīng)值提高5倍。同時,與正常流速相比,這種插入件使換熱管的防垢能力提高8~10倍。
    2　殼程強化結(jié)構(gòu)的發(fā)展
    殼程的傳熱強化研究包括管型與管間支撐物的研究。根據(jù)不同的管束支承結(jié)構(gòu)可分為板式支承、桿式支承、空心環(huán)支承、管子自支承等幾種形式。傳熱管外表面形狀的改變主要是在其外表面上加工出溝槽和翅片,外表面有溝槽的傳熱管主要包括螺旋槽管、橫紋管、波紋管等,本文前面已述,不再重復(fù)。
    2·1　板式支撐結(jié)構(gòu)的發(fā)展
    傳統(tǒng)的管殼式換熱器大多采用弓形隔板支撐,這種結(jié)構(gòu)形式存在一些弊端:阻力大、死角多、傳熱面積無法被充分利用,還可能引發(fā)流體流動振動等等。為了使折流板的性能得到改進,又研發(fā)出了多弓形折流板、整圓形折流板(如圖3所示)、異形孔折流板、網(wǎng)狀板等。這些新型折流板支承結(jié)構(gòu)的出現(xiàn)主要是為了使流體由橫向流動變?yōu)榭v向流動,從而盡可能地消除死區(qū),使得傳熱綜合性能得到提高,也使得管束的抗振性能得到增強。
            
    2·2　桿式支撐結(jié)構(gòu)的發(fā)展[8]
    美國菲利浦石油公司于20世紀70年代,為改進傳統(tǒng)換熱器中管子與折流板的切割破壞和流體誘導(dǎo)作用,開發(fā)了殼程流體縱流折流桿式換熱器?？v流形支承結(jié)構(gòu)的特征是殼程流體的流動方向與管束平行,這類換熱器基本實現(xiàn)了殼程、管程流體的完全逆流,增大了有效平均溫差,提高了傳熱效果。折流桿換熱器是縱流型支承結(jié)構(gòu)的典型代表,它是一種以折流桿代替折流板的換熱器。這種結(jié)構(gòu)由折流柵組組成,每組折流柵包括2個橫柵和2個縱柵,每個折流柵是由若干平行的折流桿焊接在一個折流圈上而成,且折流桿的布置方式不同。因殼程具有與管程流動基本相同的對流傳熱機理,加上支撐桿形成的渦流流動和折流環(huán)區(qū)的文丘里效應(yīng),所以熱力性能優(yōu)異;且殼程不存在橫向流通的阻力,也無來回流動的反向效應(yīng),故殼程壓降也較低。華南理工大學(xué)和大慶石油化工總廠共同開發(fā)的折流桿螺旋槽管再沸器已應(yīng)用于在無相變及冷凝傳熱方面,其總傳熱系數(shù)比光管再沸器提高了1.2~1·7倍,抗振性能好。此后,世界各國對該類型的換熱器進行了深入的研究,出現(xiàn)了一種新的抗振結(jié)構(gòu):直扁鋼條;后來又把圓桿變成波形扁鋼;由于圓桿在安裝上比較困難,又提出了把圓桿變?yōu)闄E圓截面的桿。
    2·3　空心環(huán)管殼式換熱器
    空心環(huán)支承是由華南理工大學(xué)研發(fā)的,它是由直徑較小的鋼管截成短節(jié),均勻分布在換熱管之間的同一截面上,呈線性接觸,其結(jié)構(gòu)如圖4所示。研究表明,空心環(huán)管殼式換熱器取代折流板式換熱器使換熱器鋼材減少35%~50%,氣體壓降減少30%~40%,已成功應(yīng)用于硫酸工業(yè)與石化工業(yè)。廣東鶴山市磷肥廠年產(chǎn)4×104t硫酸的工業(yè)過程中,應(yīng)用該換熱器比傳統(tǒng)換熱器節(jié)省換熱面積50%,節(jié)省鋼材40%?？招沫h(huán)常常與強化傳熱管配合使用,能夠同時強化管程、殼程傳熱,可獲得比普通光管高80%~100%的傳熱膜系數(shù)。但空心環(huán)支承的擾流作用不如折流桿支承,而且管束固定工藝相對較復(fù)雜。
            
    2·4　螺旋折流板換熱器[9~10]
    螺旋折流板換熱器,國外稱Heliexchanger換熱器,是ABB公司的新產(chǎn)品,它突破了殼程介質(zhì)Z形折返的傳統(tǒng)方式。從結(jié)構(gòu)上看該換熱器主要包括2大類:一類是沒有中心管,折流板為非整體連續(xù)的螺旋結(jié)構(gòu),其設(shè)計原理為:將圓截面的特制板安裝在“虛擬螺旋折流系統(tǒng)”中,每塊折流扳占換熱器殼程橫剖面的1/4,傾角朝向換熱器的軸線,使殼程流體做螺旋運動,減少了管板與殼體之間易結(jié)垢的死角,從而提高了換熱效率。在氣-水換熱的情況下,傳遞相同熱量時,該換熱器可減少30%~40%的傳熱面積,節(jié)省材料20%~30%。另一類是設(shè)有中心管,折流板為整體連續(xù)的螺旋結(jié)構(gòu)。其設(shè)計形式是折流板圍繞中心管螺旋纏繞,形成整體連續(xù)的螺旋折流板結(jié)構(gòu),這種結(jié)構(gòu)文獻中報道較少,張正國等[11]和英國公司[12]均有相關(guān)專利。另外遼寧石油化工大學(xué)陳世醒[13]又提出了一種特殊形式的折流板。商利艷[14]等分別對螺旋角為12°、18°、30°、40°的單螺旋板折流換熱器性能進行了實驗研究,隨著螺旋角的減小傳熱效果增強,但壓降增大,得出螺旋角為18°的綜合性能最好。王樹立[15]等實驗結(jié)果表明最佳的螺旋角與殼程流體的雷諾數(shù)有關(guān)。
    2·5　自支承結(jié)構(gòu)[8~16]
    管子自支承的共同特點是靠管子自身變形的突出部位相互支承,同時又達到了強化傳熱功能,主要有刺孔膜片式、螺旋扁管式、變截面管式、新型的管束自支承結(jié)構(gòu)等形式。
    2·5·1　刺孔膜片式
    刺孔膜片式是在每根換熱管兩側(cè)相距180°開溝槽,溝槽中嵌焊沖有孔和毛刺的膜片,膜片將同一平面上的一排管連接為一個整體,并將整個殼程空間分隔為若干彼此平行的區(qū)間。膜片上的毛刺具有擾流作用,增大了流體湍流程度;同時,使流體通過小孔實現(xiàn)了混合。由于刺孔膜片嵌焊于管壁上,是管壁的延伸,增大了有效傳熱面積,并且刺和孔不斷使換熱表面上的邊界層更新,使層流厚度減薄,提高了傳熱系數(shù),殼程流體完全縱向流動,殼程壓力很低。
    2·5·2　變截面管式
    變截面管是普通圓管用機械方法壓制而成的,即按一定節(jié)距壓制出互成90°(正方形布管)或互成60°(三角形布管)的扁圓形截面,利用這種變截面管互相支承并構(gòu)成擾流元件。這種換熱管束排列緊湊,單位體積內(nèi)的換熱面積大。因管間距小,提高了殼程流速,增加了殼程的湍流程度;換熱管截面形狀的變化又促進了管程傳熱。初步研究表明,變截面管內(nèi)傳熱系數(shù)比光管高20%~35%,壓降高2~4倍,殼程傳熱綜合性能良好,并且消除了流體誘導(dǎo)振動的根源。
    2·5·3　新型的管束自支承結(jié)構(gòu)
    江楠[17]等提出了一種新型的管束自支承結(jié)構(gòu),該結(jié)構(gòu)將太陽棒針翅管或釘頭管與變截面混合管束支承有機結(jié)合在一起。李華[18]等的研究表明其具有相當(dāng)理想的強化傳熱效果,并提出了優(yōu)化條件:針翅長徑比3~6,針翅長度15~36 mm,針翅直徑4mm~1/5 d(d基管外徑),針翅縱向間距大于10mm,且縱向間距與針翅直徑比大于2。圖5中1~12號管為釘頭管,每個環(huán)向截面上的6個釘頭管成等間距分布,管束中心的每個光管都由3個不同方向的釘頭支承,從而確保管子的定位,釘頭管截面如圖6所示。從強化傳熱角度看,各釘頭在換熱管上有規(guī)律的分布,構(gòu)成諸多擾流元,破壞流體邊界層起到強化傳熱作用。從自支承角度看,各釘頭均勻分布在管束中,從各方向支承管子,使管子各段受力均勻,起到良好的支承和抗振作用。
             
    3　結(jié)語
    強化傳熱元件的開發(fā)必然會帶來多種殼程、管程結(jié)構(gòu)研究的進步。工業(yè)應(yīng)用結(jié)果表明多種強化傳熱元件的研究成果是一個基礎(chǔ),可以根據(jù)不同的操作條件、不同的使用工況,組合成各類新型高效換熱器,如橫紋管折流桿換熱器,螺旋槽管與紐帶的復(fù)合強化傳熱等,以節(jié)省金屬材料,降低成本,獲得較高的經(jīng)濟效益。把高效傳熱管與新型管束支承結(jié)合起來進行試驗研究已成為換熱器今后發(fā)展的一個重要方向。
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