管殼式換熱器強化傳熱進展

張輪亭，邱麗燦，王 臣

（中海油能源發展股份有限公司工程技術分公司, 天津 塘沽 300452）

管殼式換熱器強化傳熱進展

張輪亭，邱麗燦，王 臣

（中海油能源發展股份有限公司工程技術分公司, 天津 塘沽 300452）

管殼式換熱器在石油化工領域應用廣泛，其強化傳熱技術的研究受到普遍關注。主要介紹了近年來國內與國外高效節能管殼式換熱器強化傳熱技術研究的進展情況，分別從管側、殼側和整體結構改進三方面分析了管殼式換熱器的強化傳熱效果及特點，最后提出了強化傳熱的發展方向。

管殼式換熱器；結構改進；強化傳熱；發展方向

管殼式換熱器具有一系列優點，例如應用廣泛、結構簡單、成本低、易于清洗等，因此在石化、煉油等領域占據著重要地位。傳統的弓形折流板換熱器占總量的70%～80%，弓形折流板換熱器固然有其優點，并為產業節能方面做出了巨大的貢獻，但在新的節能減排形勢下，其缺點（壓降大、流動死區、易結垢、震動、傳熱效果差）嚴重的限制了其發展和生存的空間，為了節能降耗，提高換熱器的傳熱效率，需要研發能夠滿足多種工業生產過程要求的高效節能換熱器。因此，近年來，高效節能換熱器的研發一直受到人們的普遍關注，國內外先后推出了一系列新型高效換熱器［1］。

1 管程強化傳熱

管程強化傳熱主要有兩種方式，一是改變管子形狀或者提高換熱面積，如：螺旋槽管、旋流管、波紋管、縮放管、螺紋管等[2]；另一種就是增強管內的湍流程度，例如，管內設置各種形狀的插入物[3]。

1.1 螺旋槽管

螺旋槽管是通過專用軋管設備將圓管在其表面滾壓出螺旋線形的凹槽，管子內部形成螺旋線形凸起，如圖1所示，管內介質流動時受螺旋線型槽紋的導向使靠近管壁的部分介質沿槽紋方向螺旋流動，這就使得邊界層的厚度較大程度的減薄，提高換熱的效果；部分介質沿著壁面縱向運動，經過槽紋凸起處產生縱向漩渦，促使邊界層分層，加速邊界層中介質質點的運動，進而加快了管壁處介質與主體介質的熱量傳遞[4,5]。

圖1 螺旋槽管Fig.1 Spirally corrugated tube

在常減壓原油-渣油換熱器中，傳熱系數可以提高1.2～1.5倍；美國argonne 國家實驗室和GA技術公司研制的螺旋槽管換熱器，與光管相比，其傳熱性能提高2～4倍，對于單管性能試驗，在阻力損失和受熱面相同時，傳熱量可增加30%～40%，在換熱量和壓降相同時，換熱面積可節省30%～40%，在換熱面積和換熱量相同時，壓降可減少60%～70%[6,7]。

1.2 波紋管

波紋管是將管子加工成內外均呈連續波紋曲線的一種強化管，如圖2所示，使管子的縱向截面呈波形，由相切的大小圓弧構成，管內流體的流動狀態不斷變化，使流體的湍流程度增加從而強化傳熱，西安交通大學對北京廣廈環宇熱力設備開發有限公司生產的不銹鋼薄壁波紋管換熱器進行了試驗研究，以水為介質時，管內傳熱系數是光管的1.8～2.8倍，以機油為介質時為 2.1～2.4倍，以煤油為介質時為 2.2～3.2倍，材料為碳鋼時傳熱系數約為光管的1.5～2倍[8]。

圖2 波紋管Fig.2 Bellows

1.3 內插物管

這種強化傳熱方法是基于管內插入物能使介質產生渦旋運動，如圖3所示，從而增強流體的徑向混合，有助于介質速度和溫度均勻分布，以增強傳熱，內插物管尤其對低雷諾數、高黏度流體的傳熱更為有效。插入物的種類很多，如螺旋線、扭帶、螺旋片等，實驗表明，在層流換熱時，管內插入扭帶后，對流傳熱系數可增大2～3倍[4]。

圖3 內插物管Fig.3 Insert tube

2 殼程強化傳熱

根據間壁傳熱原理分析，傳熱效果相對較低一側在大程度上影響著換熱設備的換熱效率，而這一側通常位于殼程，于是研究開發出了折流桿式、螺旋折流板式、曲面弓形折流板等換熱器。

2.1 折流桿換熱器

折流桿換熱器主要是將殼程的折流板改用折流桿來固定管束，每根換熱管由四根桿條從上下左右四個方向固定，使管子在流體的作用下不易產生振動。20世紀中后期，美國飛利浦石油公司為了改善管殼式換熱器中換熱管與折流板間的相互切割磨損和流體誘導震動，研制了殼程介質呈縱向流的折流桿式換熱器，如菲利普公司使用螺紋管作為換熱管，比傳統的弓形折流板換熱器傳熱系數提高30%左右，壓降減少50%。華南理工大學和大慶石油化工總廠共同開發了折流桿螺旋槽管再沸器應用在無相變及有相變冷凝傳熱方面，其總傳熱系數比普通光管再沸器提高了 1.2～1.7倍，有效的避免了震動破壞[9]。目前，一些單位把圓鋼條變為扁鋼條、波形扁鋼、準橢圓截面的桿等，都取得了良好的效果，通常情況下，這種結構只適用于大流量的情況[10]。

圖4 折流桿換熱器Fig.4 Rod baffle heat exchanger

2.2 螺旋折流板換熱器

螺旋折流板換熱器采用若干塊1/4殼程截面的扇形板組裝成螺旋狀折流板，如圖5所示，使殼程介質呈螺旋狀流動，其介質流動的返混較少，幾乎不存在死區，同時在離心力的作用下介質與換熱管接觸后會脫離管壁而產生尾流，使邊界層分離充分，改善了傳熱效果，相同流量條件下壓降最大可以降低45%；同時螺旋折流板又能在較低壓降下使介質產生較大的流速，提高了雷諾數，從而使得傳熱數顯著提高，傳熱系數可提高20%～30%；最大特點是單位壓降下的換熱系數高，螺旋折流板換熱器尤其適用于殼程壓力、污垢熱阻、流體誘導震動要求比較嚴格的場合，對于高粘度流體效果更加突出[4]。20世紀90年代初由ABB公司開發，在實際應用中取得了良好的效果[11]。

圖5 螺旋折流板換熱器Fig.5 Heat exchangers with helical baffles

2.3 曲面弓形折流板換熱器

曲面弓形折流板換熱器是一種新型管殼式換熱器，如圖6所示，折流板的曲面是圓弧面，每塊折流板曲面外凸側朝向殼程流體進口，利用圓弧形折流板使被導流后的殼程流體流動曲線趨于光滑，并與介質流通通道相一致，顯著改善殼程介質的流速分布情況，流動死區、傳熱死區明顯減少，與傳統弓形折流板換熱器相比，曲面弓形折流板換熱器殼程膜傳熱系數增加 3%～11%，壓降下降了 9%～24%[12,13]。

圖6 曲面弓形折流板換熱器Fig.6 Curved baffle heat exchanger

3 整體強化

整體強化通常是將管程和殼程強化聯合起來，從而取得更高的強化傳熱效果，例如，螺旋折流板與波紋管相結合，或者折流桿與波紋管相結合等；還有一種就是通過改變管子形狀使得管殼程傳熱均得以強化，例如，螺旋扁管換熱器、變截面管換熱器、交錯扁管換熱器等。

3.1 螺旋扁管

螺旋扁管換熱器是瑞典 Allares公司近年來推出的一種高效換熱元件。螺旋扁管換熱器的換熱管采用螺旋扁管，螺旋扁管是把圓管在壓扁的同時進行 360°扭曲，相鄰管子保持螺旋線點接觸以支撐管子，管內外均形成螺旋形通道，介質呈螺旋狀運動，由于離心力的作用，介質運動時速度和方向發生周期性的改變，增強了介質的徑向混合和湍流程度，強化傳熱過程[14,15,16,17]，而且殼程介質整體上呈縱向流動狀態，也大大降低了管束震動，如圖7所示；由于流體的螺旋運動趨勢，湍流程度較大，還可以改善殼程中常出現的油污附著換熱管表面和雜質沉積對傳熱不利的現象；殼程中沒有折流板，無流動死區，使得傳熱面積充分利用，壓降降低，這些都有效地提高了設備的整體傳熱效果[18,19]。與傳統弓形折流板換熱器相比，通常相同壓降下換熱系數會高出40%，或者反過來說，相同換熱系數時壓降會減半，整體的效果就是相同的熱負荷時，螺旋扁管換熱器比傳統換熱器換熱面積有很大縮小。

圖7 螺旋扁管換熱器殼程與管程流動狀態Fig.7 Flow state in shell side and tube side of twisted tube heat exchanger

3.2 變截面管式

變截面管與螺旋扁管的傳熱機理基本相似，均是通過改變管型強化傳熱。變截面管靠凸起部分與相鄰管子接觸支撐管子，殼程中不設置折流板，相鄰管子中心距小，管子布置緊密，單位體積內的換熱面積增加；由于相鄰管子中心距小，殼程流速得到提高，湍流程度加強，減薄了管壁上的邊界層，提高傳熱效率；同時由于換熱管形狀的連續變化，強化了管內、外介質的換熱[16,20,21,]，如圖8所示。

圖8 變截面管Fig.8 Varying section tube

4 傳熱強化的發展趨勢

管殼式換熱器的發展總體上是支撐式的發展，從弓形折流板式支撐，到折流桿式支撐最后到管子的自支撐，隨著殼程支撐結構的改變，管殼式換熱器的殼程膜傳熱系數表現為連續提高的發展趨勢，壓降表現為不斷降低的發展趨勢，換熱器的綜合傳熱性能得到明顯的提升。

（1）隨著計算流體力學和計算傳熱學的快速發展，數值模擬是對換熱器進行傳熱強化研究的實用工具，能夠預測傳熱過程的影響因素，且方法簡單、效率高、費用低；

（2）借助先進儀器，如激光測速、紅外攝像儀等“可視化技術”，深入研究換熱器的流場分布和溫度場分布，徹底弄清強化傳熱的機理。

（3）開發新型高效節能換熱器，如纏繞管式、微尺度等緊湊式換熱器，這將在高新技術領域中具有廣泛的應用前景。

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Research Progress in Heat Transfer Enhancement Technology of Shell and Tube Heat Exchangers

ZHANG Lun-ting，QIU Li-can，WANG Chen
(CNOOC Energy Development Co., Ltd. Engineering and Technology Branch, Tianjin 300452，China)

The tube and shell heat exchanger is widely used in the petrochemical field; research on the heat transfer enhancement technology is widely concerned. In this paper, research progress in the heat transfer enhancement technology of high efficiency shell and tube heat exchangers was introduced. From three aspects of the tube side, the shell side and the overall improvement, effect and features of the heat transfer enhancement of shell and tube heat exchangers were analyzed. At last, the development direction of the enhanced heat transfer technology was put forward.

Shell and tube heat exchanger; Improvement; Heat transfer enhancement; Development direction

TQ 051

A

1671-0460（2014）11-2322-03

2014-04-14

張輪亭（1966-），男，遼寧撫順人，工程師，1990年畢業于撫順大學化工專業，研究方向：從事熱采設備研發、管理等技術工作。E-mail：1300554825@qq.com。