殼管式換熱器強化傳熱技術研究進展

徐 鵬，肖延勇

（海軍裝備部駐大連地區第一軍事代表室，遼寧大連 116001）

0 引言

殼管式換熱器具有耐高壓、密封性好、不易堵塞等優點，廣泛應用于石油、化工、核電、制藥、食品等工業領域。殼管式換熱器的強化換熱結構和機理研究對實現高效換熱、提高能源利用率、節約投資成本具有重大意義。因此，國內外學者對殼管式換熱器的強化傳熱技術進行了深入地研究。

1 強化傳熱的主要方法

從傳熱學的角度分析傳熱過程可知，單位時間內的傳熱量見式（1）[1]。

由式（1）可知，傳熱量Φ 與傳熱系數k、傳 熱面積A 和傳熱平均溫差Δt 有關，若要使傳熱量Φ 增加，可以從提高傳熱系數k、擴大傳熱面積A和增大傳熱平均溫差Δt 的角度進行分析。

1.1 提高傳熱系數k

在傳熱過程的熱阻方面，要提高總傳熱系數，則需要分析總熱阻由哪些分熱阻構成，并找出占主要地位或份額較大的分熱阻，因為這一環節的分熱阻具有減小總熱阻的最大潛力，然后從結構設計或改變材料等方面設法強化傳熱，減小這一分熱阻，從而顯著提高傳熱系數。

1.2 擴大傳熱面積A

橫紋槽管的試驗測定表明，如果管內的介質為空氣（Re＝2.0×104～3.4×104），橫紋管較光滑管的換熱系數可提高約1.7 倍，壓降增加約2.2 倍。如果介質為水（Re≈4 000），則這2 個參數可以分別提高約2.4 倍和2.7 倍[6]。

2.2.3 波紋管

波紋管是將光管加工成波紋形狀的翅片，強化傳熱機理是通過改變斷面使得弧形段內壁處產生2 次反向性的擾動，可以周期性地增加流體的擾動，增強其湍動性能，破壞了邊界層的熱阻層，從而可以有效增大傳熱系數。通常情況下，波紋管較普通的光管換熱器效率提高2 倍～3 倍。

龔波[7]利用FLUENT 軟件對波紋管管內流體在湍流下的流動與換熱情況進行了數值模擬研究，探究了管內流體流動狀態和管道結構對流動阻力和換熱系數的影響，擬合出了流動阻力與換熱系數的關聯式，并與試驗數據進行對比，驗證了數值模擬結果的可靠性與有效性。

2.2.4 縮放管

縮放管是由多節交替分布的收縮段與擴張段構成的波形管道，縮放管強化傳熱的機理為：流體在擴張段區域時速度相對較低，靜壓增大；流體在收縮段區域時，速度增大，靜壓減小。由于收縮段與擴展段交替分布，流體在方向反復變化的軸向壓力梯度作用下進行流動。流體在擴張段產生的漩渦可以在收縮段中得以利用，加上速度增大，可以沖刷流體邊界層，減薄了邊界層的厚度，從而有效強化換熱。

縮放管因其結構的特殊性，可強化管內管外單相流體（特別是雷諾數較高流體）的流動和傳熱。張亞君等[8]對縮放管的傳熱與流阻特性進行了試驗和工業應用研究，發現在流阻損失相同的情況下，其傳熱量比光滑管提高了70%。

2.2.5 管內插入物

常見的管內插入物種類很多，如螺旋線圈、扭帶、線圈與扭帶混合、螺旋片、不規則異形片等。在管內插入一些特殊的物件可以強化單相流體（如氣體、低雷諾數流體或高黏度流體）的傳熱。各種插入物強化換熱的機理主要是：插入物的存在破壞了流體沿軸向平行流動的流動狀態，使得流體沿插入物的結構徑向流動，一方面因流動方向反復改變而加強了流體的強烈混合，另一方面插入物的存在也增加了傳熱面積，其綜合作用提高了對流換熱系數。

PROMVONGE[9]研究了扭帶外套擾動線圈對管內流體換熱的影響，試驗表明：在Re＝3 000～18 000范圍內，與光管相比，外套線圈的扭曲帶換熱管的強化傳熱效果是單獨使用線圈或扭曲帶的2 倍，而且在一定范圍內，傳熱效果隨著扭曲帶的扭曲程度變高、線圈排布變密而顯著提高。

英國Cal Gavin 公司研制出了一種叫Heatex的內插件，其圓芯體能延伸至管壁并緊密接觸，能夠使管內側的傳熱效率提高2 倍～15 倍。另外，該公司還開發了一種叫Hitran 的絲網內插件，在液體工況下，可使殼管式換熱器的管程傳熱效率提高25 倍；在氣體工況下，可使管程傳熱效率提高5 倍。與正常流速相比，這種內插件能使換熱管的防垢能力提高8 倍～10 倍[10]。

2.2 強化殼程技術

強化殼程傳熱的研究主要是改善殼程的結構，傳統的殼程流體是橫向沖刷換熱管束，研究者多采用一些折流結構（如螺旋折流板、整圓折流板、螺旋葉片、折流桿）和殼程內插物（如扭曲帶、空心環）進行改善和優化，使管內流體基本呈現逆流的縱向沖刷。

2.2.1 螺旋折流板

螺旋折流板是將很多塊1/4 橢圓扇形平板首尾彼此連接，使其一個直邊垂直于軸線，圓心位于軸線上且圓周緊貼筒體內壁，另一個直邊與軸線在其構成的平面內呈25°～40°，從而總體上形成近似螺旋面，可以使殼側流體呈現連續的螺旋狀流動。與傳統弓形折流板換熱器相比，殼程流體流動方式的改變使其具有殼程壓力損失小，單位壓降下殼程傳熱系數高等諸多優點[11]。螺旋折流板的強化傳熱機理是殼程流體的流動狀態（類似于柱塞狀流動），可提高傳熱溫差；同時，流體因折流板的結構而螺旋流動，破壞了邊界層的形成，在半徑方向形成速度梯度，促進了流體的湍流流動而強化換熱。

王晨等[12]利用PIV 激光粒子圖形測速技術，對螺旋折流板換熱器進行了研究。結果表明，螺旋折流板使得殼程流體流動方向與軸線能夠呈現一定角度，使得流體斜向沖刷折流板和換熱管，進而有效減小管束的震動和流動死區。同時，管間流場因沿軸線方向波動的徑向速度而增加了流體的擾動，減薄了邊界層的厚度，有利于強化傳熱。

謝洪虎等[13]利用數值模擬手段對連續折流板換熱器進行了研究，得到了螺旋節距L 與螺旋折流板殼管式換熱器強化傳熱效果變化規律的關系以及最佳螺紋節距。

2.2.2 折流桿支撐

折流桿換熱器的殼程以折流圈上的桿式結構代替了傳統的弓形折流板結構，相互平行的折流桿和折流圈統稱為折流柵，以一定的間距及排列方式布置在殼體內。折流桿換熱器的換熱機理是殼程流體由傳統的橫掠管束變為縱掠管束，加上折流桿對流體的擾動作用，使得折流桿后面漩渦脫落，流過折流圈時有文丘里效應，和折流圈后面產生的漩渦尾流，極大地促進了流體的混合，從而提高傳熱系數。折流桿換熱器具有殼程壓降小、流動阻力小、傳熱面積充分、管束振動小的特點，其缺點是折流柵和折流籠的制造和安裝比較麻煩，而且只有在大流量及高流速的場合才能體現其優良的性能[14]。

2.2.3 空心環網板支撐

空心環是由小直徑短鋼管構成的，其均勻分布在換熱管束間，與換熱管束呈現線性接觸，從而使換熱管束被穩定地固定。利用空心環網板支撐，能有效減少殼程流體反復折流而損耗的能量，使得流體的壓力損失能夠更好地用于促進換熱管束外表面的流體湍流狀態，且能起到沖刷換熱管束而強化換熱的作用。

鄧先和等[15]在實驗與工業化研究的結果中表明，同等殼程壓力降條件下，采用縮放管時，空心環殼管式換熱器比折流板管式換熱器殼程傳熱系數可提高50%～80%。

2.2.4 旋流網板支撐

旋流網板支撐結構多為旋流片和螺旋扭片，當旋流片呈連續的短扭帶時，殼程流體壓降小，而下游的自旋流作用可以強化高雷諾數流體的傳熱。當殼程流體平行于換熱管束縱向流動時，可以形成旋流并促進湍流，旋流和邊界流作用形成二次渦流，破壞和減薄薄壁流體的邊界層，提高傳熱效率。流體自旋是一種強化對流傳熱的有效手段，當流體流過一段較短的扭帶時，流體被迫作螺旋流運動，當離開旋流片時，形成的自旋流可在下游區域持續很長的距離[16]。

周水洪等[17]結合試驗和數值模擬手段，研究了空心環和旋流片支撐時的流體湍流流動和傳熱性能，結果表明，旋流片能迫使流體作強烈的三維螺旋運動，增強流體湍流度，同時使流體沖刷壁面，減薄邊界層，其傳熱效果優于空心環。

2.2.5 管子自支撐

近年來常見的支撐管有刺孔膜片管、螺旋扁管和變截面管等形式。

刺孔膜片管的刺孔膜片不僅能起到支撐作用，還能使管壁延伸，有效增加傳熱面積；毛刺和小孔破壞了邊界層的發展，增強了殼程流體的湍動性能和混合程度，從而提高了換熱系數，殼內流體縱向流動，壓降很小[18]。

螺旋橢圓扁管具有雙面強化的作用，靠相鄰換熱管突出的點接觸而起到支撐作用。這種結構使得管內、外流體呈螺旋運動，使流速和流向發生周期性變化；殼程流體流經相鄰管子的螺旋線接觸點形成脫離管壁的尾流，增大了流體本身的湍流度，破壞了管壁上的流體邊界層，從而使殼體傳熱得到增強[19]。

變截面管是將普通圓管用機械方法相隔一定間距并互成一定角度軋制出扁管形狀的管子。變截面管靠變徑部分的點接觸互相支撐，同時又組成了殼程部分的擾動元件，其結構簡單，且為雙面強化管，最大的弱點是管內阻力太大[20]。

3 結論

近年來，各種強化技術使殼管式換熱器的性能得以改進。在研究方法上，結合CFD數值模擬研究，萘升華技術、激光測速以及全息攝像可視化方法研究等也將得到深入研究與應用。隨著強化傳熱機理的繼續研究，管內強化和管外強化技術應結合起來，開發出新型高效傳熱技術。