縱流式換熱器結構優化研究進展

王麗麗 馬貴陽

摘 要：介紹了世界范圍內縱流式換熱器的研究現狀。從管、殼程兩方面闡述了換熱器結構改進及強化傳熱機理。列舉了換熱器殼程中用于支撐管束的整圓形板支撐、花格板支撐、折流桿式支撐和螺旋折流片支撐。分析了不同結構優化下縱流式換熱器的傳熱系數、壓力損失和抗誘導振動能力等特點。最后對縱流式換熱器的發展前景進行了展望。

關 鍵 詞：縱流式換熱器；強化傳熱；結構優化；發展前景

中圖分類號：TK172 文獻標識碼： A 文章編號： 1671-0460（2016）08-1937-04

Abstract： The research status quo of worldwide heat exchangers with longitudinal flow was introduced. Structural improvement and heat transfer enhancement mechanism of the heat exchangers were discussed from two aspects of tube pass and shell pass. Circle orifice plate supports， checkered plate supports， rod baffle supports and helical baffle supports for supporting the tube bundle in shell side were enumerated. The heat transfer coefficient of longitudinal flow heat exchangers after structural optimization was analyzed as well as pressure loss， induced vibration resistance and so on. At last， developing prospect of the longitudinal flow heat exchanger was presented.

Key words： heat exchanger with longitudinal flow； heat transfer enhancement； structure optimization；development prospect

目前，先進的熱交換技術已在能源、動力、化工等很多領域得倒廣泛應用。很多國內外科研人員熱衷于換熱器的強化傳熱、減小壓降和提高綜合性能的研究，并獲得大量的科研成果。強化傳熱技術是提高換熱器效率的主要措施，如強化傳熱管、管內插入物和新型管束支撐等。傳統的管殼式換熱器具有選材范圍廣、制造成本低、結構簡單、使用可靠、應用技術成熟等優點。尤其在處理量大、高溫高壓等工況下，更能突顯出管殼式換熱器特有的優點。但傳統的管殼式換熱器一般采用光滑圓管作為傳熱元件，弓形折流板支撐管束。殼程流體流動時會形成流動和傳熱死區，從而減小傳熱系數[1]。橫向流動的殼程流體沖刷換熱管束，產生較大的壓力損失，特別是當雷諾數較大時，換熱管束易激發流體的誘導振動，而降低換熱管束的使用壽命，因此有必要進行改進。

20世紀70年代的國外學者首次設計出了折流桿換熱器。它以折流桿取代傳統的折流板來支撐管束，所產生的自由流道使殼程流體做平行與管軸的縱向流動。不但有效地避免了流體誘導振動，而且在不增加泵功率的情況下即可實現強化傳熱。至此以后，縱流式換熱器逐漸受到重視，世界各地的學者在此方面進行了大量研究，并取得了顯著的成果。

1 縱流式換熱器結構發展

1.1 強化管型縱流式換熱器

早期的縱流式換熱器采用光滑圓管。為提高管程的傳熱效率， 近些年來國內外學者先后研制出了橫紋（槽）管[2]、螺旋槽管[3]、縮放管[4]、波紋管和螺紋管[5]等高效換熱管。雖然結構不同，強化機理卻十分相似：將普通圓管進行工業滾軋，使管壁上形成有規律或者無規律分布的凸肋和凹槽結構。當管壁內外流體流經橫向凸肋和凹槽時，在管壁處形成漩渦，增強了流體的擾流作用，流體與管壁之間的邊界層變薄，導熱熱阻減小，從而使換熱效果增強。

1.2 整圓形板支撐的縱流式換熱器

整圓形折流板換熱器[6]，實現了殼程內的流體由橫向流動轉變成縱向流動，折流板上的開孔面積相對較小，當流體流經管孔時，沿管壁會產生貼壁射流作用，射出的流體流速很快，會對周圍流體產生卷吸作用而發生混流，并在一定跨距內沖刷管束，減薄液體邊界層，既強化了傳熱，又有除垢的作用。“大管孔”折流板是最早出現的管束支撐形式，如圖1（a）所示。折流板設上有比管徑大的圓孔，圓心與管軸共線，這樣殼程流體就可以通過管外徑與大孔徑的間隙，使流體成縱向流動，減小了傳熱死 區，但同時換熱管沒有相應的支撐，又增大了其誘導振動的機率。如圖1（b）所示，“小圓孔”整圓形折流板換熱器中，孔板上孔徑等于管外徑，在孔橋上增加了小圓孔，流體沿小圓孔流經孔板，減少了流體誘導振動的幾率，但該結構的流通面積太小，殼程流體流動時，阻力太大，且存在流動死區。異性開孔可以解決上述難題，如圖1（c）和（d）所示的矩形孔和梅花孔。此類型的孔板在保證殼程流體流動通道的前提下，還能給換熱管提供支撐作用。如圖1（e）所示，網狀整圓形折流板能使得殼程流體以縱向流過折流板，能夠有效避免折流引起的傳熱死區，還能減小殼程壓降。盡管上述整圓形折流板優點很多，但其多孔結構較為復雜，不易加工，生產成本比較高，因此不能大規模的應用到工業生產的各個領域中，尤其是那些收益不是很高的粗放型的產業當中。

1.3 花格板支撐的縱流式換熱器

花格板支撐是華中科技大學黃素逸等[7]在整圓形隔板的基礎上提出的一種新型的殼程支撐結構。如圖2所示，在整圓形隔板的四個象限中的某一象限或二到三個象限內設管孔，用來支撐管束，其余象限則是空的，或者設有大孔，作為流體的流動甬道，每一組花格板以一定的旋轉角度交錯布置。雖然花格板[8]支撐犧牲了一定的擾流強度，但同時減小了折流板背后的流動死區，而且殼程壓力損失較小，明顯的節省了泵功。

遼寧石油化工大學郭土[9]研究了一種新型支撐結構的換熱器——六分花格板換熱器，如圖3所示，通過建立物理模型，采用數值模擬的方法對其流動和傳熱性能進行了研究，分析結果表明，六分花格板在工藝制作簡單方便的基礎上，有效的降低管殼式換熱器殼程壓降，保證對換熱管的支撐及對殼程流體的擾流作用，強化傳熱效果。

1.4 折流桿式支撐的縱流式換熱器

為了解決換熱器殼程內部管束振動的問題，20世紀70年代美國菲利普公司首次開發完成了折流桿支撐換熱器的研究，又稱為折流柵，由相互平行的若干折流桿焊接在一個折流圈上而成。四個折流柵為一組，每組包括兩個橫柵和兩個縱柵，縱橫交錯，構成鼠籠式支撐結構。鄭州大學劉敏珊等[10]也設計出了節能型折流桿結構，并在很多領域得到應用。實踐結果表明[11]，當殼程流體流速達到一定值時，流體流過折流桿，產生卡曼渦街和文丘里效應，增強了擾流作用；圈、桿產生的漩渦和湍流使管程表面的液模變薄，減小了傳熱熱阻；傳熱面積得倒充分利用，基本上消除了傳熱死區等。但桿式支撐在雷諾數較小或流速較低時綜合性能并不明顯，并且在劇烈震動的情況下，流體的誘導振動致使換熱管束失效的可能性較高。

胡明輔、楊波濤等[12]研究了一種新型結構——扁桿抗振柵。這種抗震結構將圓鋼型的折流桿換用扁鋼支撐條，扁鋼形支撐條牢牢夾住換熱管束，從而使管束和折流板間的接觸方式由最初的“點接觸”轉變成了“線接觸”，因此，抗振柵的抗振性能更優。

折流桿換熱器的布管方式通常選用正方形，相比于三角形布管方式，前者單位面積內的換熱面積較小。為了節約投資和不影響生產工藝，華東理工大學嚴良文、王志文等[13]開發出了波形折流桿換熱器，該結構在傳統的折流桿支撐的基礎上，用波形桿代替直桿，克服了折流桿支撐中正方形布管松散的缺陷，使結構更加緊湊。傳熱性能更優于折流直桿和折流扁桿換熱器，在工業生產過程中，也取得了良好的經濟效益。

鄭州大學古新[14]設計出一種新型殼程支撐結構——簾式折流片換熱器，即斜向流管殼式換熱器。該類型的折流柵由若干個平行放置，形狀較為特殊，且與管束軸線成一定夾角，兩端焊接在折流圈上的折流片組成。折流柵在殼程內等間距布置，有著支撐管束的作用。殼程流體的斜向流動，既減少了流體橫向流動時速度變化劇烈而導致的有效能量的損失，又因為橫向流對管子的強烈沖刷使得邊界層變薄，進而增大了傳熱效率。總體上的縱流趨勢，兼備了縱流式折流板換熱器的諸多優點，如抗誘導能力強，殼程流動阻力少，不易結垢，綜合性能好等優點。鄭州大學劉兵在此基礎上進行了深入研究，得出了在三角形布管方式下，折流柵按照對稱和同向兩種方式裝配、折流柵間距和折流片傾角大小，對于壓降、傳熱系數和綜合性能的影響。

1.5 螺旋折流片支撐的縱流式換熱器

螺旋折流板換熱器是將傳統的弓形折流板換成螺旋狀或者近似螺旋狀的折流板，每塊折流板也換熱器殼體橫截面有一個傾斜角，使殼程流體沿螺旋通道自殼程進口向出口呈螺旋狀推進，通過調整不同角度來調整流通截面，進而可以提高流體流速。流體在殼體內呈螺旋狀前進，有效減小了流動死區，又可防止結垢。

螺旋折流板可分為連續和非連續兩種類型。連續型螺旋折流板采用連續螺旋狀支持板支撐換熱管，使殼程流體沿甬道斜向前進，同時兼備了縱向流和橫向流的優點[15]。但由于螺旋曲面制造工藝復雜、造價較高，目前用于實際生產的大多都是非連續的螺旋折流板[16]，如圖4 所示。這種折流板采用多個扇形折流板在換熱器殼程按照一定得角度搭接而成，制造工藝簡單、造價低，從圖中可以看出這種形式的螺旋流由橫向和縱向兩種流動混合而成，這是因為折流板搭接的中間會有一定得空隙。從效果來看，橫向流動能夠破壞換熱管外表面的邊界層，縱向流動能夠提高換熱管的傳熱推動溫差，這樣就能達到強化傳熱的目的。實驗證明[17]，非連續型螺旋折流板換熱器比弓形折流板換熱器的對流換熱系數和總傳熱系數均有提高。

2 縱流式換熱器發展前景

縱流式換熱器自出現以來就體現出了良好的流體力學特性和抗振性能，但其自身仍存在很多不足，如在殼程壓降減小的同時會犧牲部分的傳熱效率。因此，設計出壓降損失一定的同時換熱效率能相應增大的管殼程結構是今后研究的重要方向。

（1）縱流式換熱器殼程內的管束支撐物空隙較大，對自由甬道內的流體流速的擾流作用小，只有在大雷諾數的工況下才能顯現出優越的換熱效果，因此開發新型支撐結構的縱流式換熱器，使其在低雷諾數下仍具有較高換熱性能，同時其結構要不斷簡單化，成本低廉化，以期達到更好的經濟效果。

（2）斜流式換熱器中，流體在殼程中流動時被分散為多股受迫傾斜流動，消除了部分流動死區，主流區的縱向流動和局部的橫向流動相結合，有效克服了折流板換熱器殼程流體流動壓降過大和折流桿換熱器低雷諾數工況下傳熱性能不佳的缺點。對新型斜流式換熱器的支撐結構進行優化設計，有著重大的理論意義及工業應用價值。

（3）上述各種單項強化傳熱技術都存在一定的弊端，所以進一步提高縱流式換熱器的綜合性能，復合強化傳熱技術也將成為日后強化結構的研究方向。對于不同的強化管和不同的殼程支撐結構的組合，換熱效果會有差異，適用的工藝條件也有待于進一步試驗確定，其壓降和傳熱的綜合性能也有待實驗測定。

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