管殼式換熱器換熱管的傳熱強化分析

高慧

（中國石油遼陽石化公司機械檢修部，遼寧 遼陽 111003）

管殼式換熱器換熱管的傳熱強化分析

高慧

（中國石油遼陽石化公司機械檢修部，遼寧 遼陽 111003）

為了推動石油化工行業(yè)更好的發(fā)展，許多企業(yè)開始將管殼式換熱器應(yīng)用到生產(chǎn)中來，這不僅提高了工作效率，同時也節(jié)省了大量的人力、管殼式換熱器成本和物力資源，因此管殼式換熱器得到了人們的廣泛關(guān)注。本篇文章就主要對換熱器傳熱強化的作用進行闡述，并對管殼式換熱器換熱管的傳熱強化進行充分的分析。希望通過本文的闡述，可以給管殼式換熱器未來的應(yīng)用方面提供些許的參考意見。

管殼式換熱器；強化傳熱；殼程；管程

管殼式換熱器不僅可以應(yīng)用在石油化工產(chǎn)業(yè)中來，同時也可以應(yīng)用在電力企業(yè)、船舶制造企業(yè)、供暖企業(yè)、能源制造企業(yè)等。管殼式換熱器的自身作用主要是在石油煉取以及化學(xué)加工裝置中才能得到充分的發(fā)揮。管殼式換熱器具備三項特點，第一項是結(jié)構(gòu)穩(wěn)定；第二項是具備較高的適應(yīng)能力；第三項是耐高溫。因此在高溫、高壓以及大型裝置中得到了廣泛的應(yīng)用。據(jù)調(diào)查顯示，在石油化工企業(yè)中，管殼式換熱器的投資量和企業(yè)總投資量的比例為0.4:1。管殼式換熱器由于具備兩個優(yōu)點，第一個是可以循環(huán)使用；第二個是能回收可應(yīng)用熱能，因此在20世紀(jì)70年代所遭遇的生化危機中，保證多個企業(yè)躲過了難關(guān)。隨著時代的推移，管殼式換熱器也隨之不斷創(chuàng)新和完善，管殼式換熱器的強傳熱技術(shù)在國際上已經(jīng)獲得了一定的效果。

1　換熱器傳熱強化的作用

管殼式換熱器的工作原理就是在一定時間內(nèi)將熱量進行傳遞。管殼式換熱器的工作作用主要在于在一些制定的設(shè)備的幫助下，將消耗的熱能源進行傳遞，實現(xiàn)設(shè)備容量逐漸增多，進而達到提升工作效率的目的。與此同時，在設(shè)備容積不發(fā)生變化的狀況下，讓管殼式換熱器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)滿面變得緊湊，使其可用空間逐漸減少，進而達到節(jié)約經(jīng)濟成本的目的。

2　管程強化傳熱分析

2.1螺旋槽管

螺旋槽管是一種專用的抓管設(shè)備，它的表面呈現(xiàn)螺旋狀的凹槽，而管內(nèi)結(jié)構(gòu)是呈現(xiàn)螺旋狀的凸槽，進而達到緊密配合的作用，連續(xù)螺旋折流板及換熱管見圖1。若螺旋槽管中的介質(zhì)呈現(xiàn)流動的情況，在螺旋槽管進行運作的過程中螺旋線形狀槽紋就會遭受一定的影響，螺旋槽管的螺旋線形狀槽紋和螺旋槽管的內(nèi)壁無法做到密切配合，進而使得螺旋槽管外壁受到磨損，厚度逐漸變薄，保證交換的熱量卻逐漸增多。但是，在進行螺旋槽管運作的過程中，由于介質(zhì)會出現(xiàn)縱向運動的情況，使得邊界層出現(xiàn)分層的現(xiàn)象。這樣一來，螺旋槽管中介質(zhì)的運行速率逐漸加快，進而完成螺旋槽管中介質(zhì)和主體介質(zhì)之間的熱傳遞。

圖1　連續(xù)螺旋折流板及換熱管

2.2波紋管

在進行管道加工的過程中，由于管中會存在連續(xù)波紋曲線的現(xiàn)象，這種管就叫做波紋管。波紋管是強化管的一種，波紋管流程圖見圖2。波紋管顧名思義，就是管道內(nèi)部結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)波紋形狀，而每個波紋都是有直徑大小不一的圓弧結(jié)構(gòu)組成。波紋管的工作原理主要是由于管中介質(zhì)的流動情況發(fā)生著改變，促使湍流程度不斷增加，進而到達傳遞熱量的目的。通過不斷的實驗表示，如果管中的介質(zhì)是水時，波紋管傳遞熱量的效果將上升到光管的2.5倍。

圖2　波紋管

2.3內(nèi)插物管

內(nèi)插物管的工作原理主要是將管中的介質(zhì)呈現(xiàn)漩渦運動狀態(tài)，這樣做的主要目的就是提升管中介質(zhì)流體的混合度，達到介質(zhì)運行速率與溫度分布情況進行緊密結(jié)合，進而提升熱傳遞的效率。為了達到更好的傳熱效果，就要保證內(nèi)插物管中的介質(zhì)處于高黏度流體和低雷諾數(shù)中。但是，根據(jù)實際情況來看，插入物選用的類型比較繁多，常常應(yīng)用的插入物有三種，第一種是螺旋片；第二種是螺旋線；第三種是扭帶。經(jīng)過反復(fù)的實驗證明，當(dāng)內(nèi)插物管中呈現(xiàn)層流換熱的情況時，這是插入物選用扭帶，內(nèi)插物管傳遞熱量的效果將上升到光管的2.2倍。

2.4縮放管

所謂的縮放管主要是漸縮管與漸擴管進行周期交換進而形成的波形管道，縮放管見圖3。縮放管的工作原理主要是通過對管中的截面進行收縮，使得管中介質(zhì)的流向發(fā)生變化，進而使得流體的速率以及方向也隨之發(fā)生變化。當(dāng)管中的流體流速逐漸減小時，管中的靜壓就會隨之增大；當(dāng)管中的流體流速逐漸增大時，管中的靜壓就會隨之減小。由于縮放管中的流體總是會發(fā)生變化，使得管壁厚度逐漸變薄，進而達到熱傳遞的目的。

圖3　縮放管

3　殼程強化傳熱分析

3.1折流板支撐結(jié)構(gòu)

對于傳統(tǒng)的折流板支撐結(jié)構(gòu)來說，雖然其也具備一定的優(yōu)勢，但是隨著時間的推移，人們開始越來越注重環(huán)保問題，而由于傳統(tǒng)的折流板支撐結(jié)構(gòu)存在四項劣勢，第一項是壓降大；第二項是具備傳熱誤區(qū)，見圖4；第三項是容易產(chǎn)生污垢；第四項是具有較強的震動感。這是具備這些劣勢，使得傳統(tǒng)的折流板支撐結(jié)構(gòu)無法滿足現(xiàn)在人們的需求。因此，為了實現(xiàn)節(jié)能環(huán)保的目的，研發(fā)出一些具備高效節(jié)能的管殼式換熱器是人們最為關(guān)注的話題。

圖4　傳統(tǒng)單弓形折流板換熱器殼程傳熱死區(qū)

3.2折流桿支撐結(jié)構(gòu)

1970年，美國Phillips石油公司就已經(jīng)研究出一種新型的折流桿換熱器，并將其應(yīng)用到石油的生產(chǎn)工作中，其殼程結(jié)構(gòu)圖見圖5。折流桿換熱器由于具備管束支撐結(jié)構(gòu)，這樣不但可以有效的減少管中的流體運行的震動幅度，避免因為劇烈的震動而給管體造成一定的破壞，同時還能緩解流體對管體的擾動情況，進而達到熱傳遞的作用。

這種換熱器的管束支撐結(jié)構(gòu)不僅能夠降低殼程流體對換熱管束橫向沖刷所導(dǎo)致的振動，防止因振動所引發(fā)的損壞，還能對殼程流體進行擾動，以達到強化傳熱的目的。

圖5　折流桿換熱器殼程結(jié)構(gòu)

4　管殼式換熱器傳熱強化的發(fā)展趨勢

根據(jù)目前的情況來看，管殼式換熱器傳熱強化的發(fā)展趨勢已經(jīng)朝著支撐式的形式發(fā)展。隨著折流桿式支撐管殼式換熱器的出現(xiàn)，最終構(gòu)成現(xiàn)代化的自支撐模式。在管殼式換熱器傳熱強化發(fā)展的過程里，管殼式換熱器的傳熱效果也逐漸增加，而管殼式換熱器的壓降也逐漸減少。由此我們可以清楚地看出，管殼式換熱器傳熱強化的發(fā)展趨勢一直呈現(xiàn)上升的狀態(tài)。首先，隨著信息化時代的來臨，換熱器傳熱強化的過程中也將信息化技術(shù)融入到研發(fā)中，這樣不僅可以提升傳熱的效率，同時也能保證傳熱的效果。其次，將先進的技術(shù)應(yīng)用到儀器中來，例如紅外攝像儀等，進而實現(xiàn)對溫度進行合理的把控。最后，研發(fā)出具備高效率、高環(huán)保的換熱器，進而推動管殼式換熱器更好的發(fā)展。

5　結(jié)束語

通過本文的闡述，使得我們對管殼式換熱器有了更深入的認識。隨著管殼式換熱器的廣泛應(yīng)用，它不僅可以保證企業(yè)提升經(jīng)濟效益，同時也能提高工作效率。在進行管殼式換熱器傳熱強化的過程中，要秉持的高效率，高環(huán)保的強化理念。這樣不僅可以達到環(huán)保的作用，同時也能有效的節(jié)省企業(yè)的資金成本。希望通過本文的闡述，可以給管殼式換熱器的今后發(fā)展提供一定的幫助。

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TQ051.5

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1671-0711（2016）09（上）-0073-02