關(guān)于管殼式換熱器傳熱性能的調(diào)研

1、 HYPERLINK xxxx/ 對管殼式換熱器傳熱性能的調(diào)查研究摘要管殼式換熱器是工業(yè)生產(chǎn)中廣泛使用的一種換能設(shè)備，那么如何強(qiáng)化換熱器的傳熱效果對于節(jié)能有著重要的科學(xué)意義。本文著重介紹了管殼式換熱器殼層強(qiáng)化傳熱途徑以及增強(qiáng)換熱性能的方法。關(guān)鍵詞：傳熱；強(qiáng)化傳熱；節(jié)能；換熱器ABSTRACTShell and tube heat exchanger is abroad used as a kind of energy exchange facility in industry,So how to enhance the heat transfer effect of heat exchange

2、r has amost important scientific significance for energy saving. This article mainly introduces ways of enhancing the shell heat transfer of shell and tube heat exchanger and themethod of enhancing theperformance of heat transfer.Keywords: heat transfer;enhancingheat transfer;energy saving;heat exch

3、anger一、引言當(dāng)今世界能源問題日益突出，節(jié)能己經(jīng)成為解決當(dāng)代能源問題的一個(gè)公認(rèn)的重要途徑。上世紀(jì)70 年代的世界性的經(jīng)濟(jì)危機(jī)實(shí)際上就是能源危機(jī)，極大地影響了西方大力依靠石油等能源的發(fā)達(dá)國家的政治、經(jīng)濟(jì)等社會(huì)活動(dòng)。我國的能源資源雖然比較豐富，但也面臨著人均能源資源量低、能源資源分布不均勻、能源利用效率低、能源工業(yè)裝備落后以及環(huán)境污染嚴(yán)重等問題。例如，我國的能源終端利用效率僅為33，比發(fā)達(dá)國家低10個(gè)百分點(diǎn)；單位產(chǎn)品能耗比發(fā)達(dá)國家高3080，加權(quán)平均高約40；單位國民生產(chǎn)總值能耗是日本的6 倍，美國的3 倍，韓國的4.5 倍1。我國能源利用率有待提高，節(jié)能潛力巨大。換熱器是化工、石油、能源、動(dòng)

4、力、冶金等工業(yè)部門中應(yīng)用相當(dāng)廣泛的能量交換設(shè)備，不僅保證工程設(shè)備的正常運(yùn)轉(zhuǎn)，而且在動(dòng)力消耗和投資方面在整個(gè)工程中占有重要份額。據(jù)統(tǒng)計(jì)表明，在化學(xué)工業(yè)中，所用換熱器的投資大約占設(shè)備總投資的30左右；在煉油廠中，換熱器占全部工藝設(shè)備的40左右；在熱電廠中，換熱器的投資約占整個(gè)電廠總投資的70左右；海水淡化工藝裝置則幾乎全部由換熱器組成2。提高換熱器的傳熱效率，對于提高能量利用率、節(jié)能降耗是一種很有效的途徑。由于換熱器被廣泛應(yīng)用于各行各業(yè)，其分類方法也有多種。如：按用途可分為加熱器、冷卻器、蒸發(fā)器；按材質(zhì)可分為金屬的、塑料的、陶瓷的等種類；按照溫度狀況來分，則可分為溫度工況不隨時(shí)間而變的穩(wěn)態(tài)換熱器，

5、以及溫度工況隨時(shí)間而變的非穩(wěn)態(tài)換熱器；按冷、熱流體流動(dòng)方向可分為順流式、逆流式和混流式；按工作原理可分為間壁式、混合式和蓄熱式三種，這種分類方法是比較常見的一種方法。管殼式換熱器屬于間壁式換熱器的一種。在各類換熱器中，管殼式換熱器具有制造方便、成本低廉、換熱效率高等優(yōu)勢，而且對其研究也有了很大的發(fā)展，所以目前仍是各種能耗工業(yè)中應(yīng)用最普遍的一種。如石油、化工行業(yè)中管殼式換熱器在各類換熱器中所占比例高達(dá)70。因此，研究管殼式換熱器的強(qiáng)化傳熱問題對于提高換熱器的傳熱效率和節(jié)能降耗具有重要意義。二、管殼式換熱器研究發(fā)展?fàn)顩r近幾十年來，國內(nèi)外對管殼式換熱器管程、殼程的傳熱和流動(dòng)阻力性能都作了大量的研究工

6、作。強(qiáng)化傳熱的措施可分為兩種：主動(dòng)強(qiáng)化（有源強(qiáng)化）和被動(dòng)強(qiáng)化（無源強(qiáng)化）。主動(dòng)強(qiáng)化需要利用外功，被動(dòng)強(qiáng)化則不需要外功。常見的主動(dòng)強(qiáng)化方法有：機(jī)械方法、表面振動(dòng)、流體振動(dòng)、電磁場、引射、虹吸。主動(dòng)強(qiáng)化技術(shù)至今尚未發(fā)現(xiàn)其商業(yè)價(jià)值，因強(qiáng)化設(shè)備投資與操作費(fèi)用大，機(jī)理復(fù)雜，并伴隨有振動(dòng)和噪聲3。目前換熱器的強(qiáng)化傳熱技術(shù)，一般都屬于被動(dòng)強(qiáng)化。管殼式換熱器的強(qiáng)化傳熱研究可分為兩大發(fā)展方向：管程強(qiáng)化和殼程強(qiáng)化。近半個(gè)世紀(jì)以來，國內(nèi)外對管程強(qiáng)化傳熱的研究取得了較大的成果，目前已有的管程強(qiáng)化換熱技術(shù)不下百余種，相比之下，殼程強(qiáng)化傳熱技術(shù)的研究還不夠深入，直到20 世紀(jì)70 年代，殼程強(qiáng)化傳熱技術(shù)才逐步開始受到重視

7、，并且在幾十年的研究中取得了不錯(cuò)的進(jìn)展。管程強(qiáng)化的目的是提高換熱管一側(cè)的傳熱效率，主要方法有：如采用新型結(jié)構(gòu)的換熱管、采用管內(nèi)插入物等。就換熱管而言，近年來出現(xiàn)了螺旋槽紋管、橫槽紋管、內(nèi)翅片管、單面縱槽管、低螺紋翅片管、薄壁波紋管、表面多孔管等多種形式的強(qiáng)化換熱管；管內(nèi)插入物主要包括紐帶、錯(cuò)開紐帶、靜態(tài)混合器、螺旋片、徑向混合器、金屬螺旋線圈等結(jié)構(gòu)。無論是新型的換熱管還是管內(nèi)插入物，其強(qiáng)化換熱的機(jī)理都是破壞層流邊界層，增加流體的湍流度，以提高管內(nèi)流體的傳熱系數(shù)，從而提高換熱器的整體傳熱效率。目前，殼程強(qiáng)化傳熱的途徑主要有兩種，一是改變管子外形或在管外加翅片，即3通過管子形狀或表面性狀的改造來強(qiáng)

8、化傳熱，以提高換熱器的效率，如螺紋管、表面多孔管等；另一種方法是改變殼程擋板或管束支撐物的形式，以減少或消除殼程流動(dòng)與傳熱的滯留死區(qū)，使傳熱面積得到充分利用。除了較早的單弓形折流板外，近年來主要出現(xiàn)了以下幾種管束支撐物形式。2.1 板式支撐結(jié)構(gòu)如多弓形折流板、整圓形隔板、異形孔板、網(wǎng)狀板等。這些新型板式支撐結(jié)構(gòu)的共同特點(diǎn)是盡可能地變單弓形折流板形成的橫向流動(dòng)為平行于管子的縱向流動(dòng)，消除殼程流體流動(dòng)和傳熱死區(qū)，降低殼程阻力，使殼程傳熱綜合性能/p 得到提高4。2.1.1雙弓形折流板和多弓形折流板傳統(tǒng)的折流板管殼式換熱器都采用單弓形折流板支撐，殼程流體容易產(chǎn)生流動(dòng)死區(qū)，雙弓形折流板換熱器在殼程將流

9、體分成兩股平行流，橫向流動(dòng)的長度（即橫流經(jīng)過的列管數(shù)）大概是具有相同缺口的單弓形折流板的一半。由于壓降與速度的平方、流經(jīng)長度或橫流經(jīng)過的列管數(shù)成比例，因此，采用相同折流板間距和相同缺口的雙弓形折流板換熱器，其壓降要比單弓形折流板減小很多。雖然同時(shí)傳熱系數(shù)也會(huì)有所降低，但是由于傳熱系數(shù)與速度的0.60.8 次方成正比，傳熱系數(shù)降低的程度要比壓降降低的程度小得多。在折流板間距和折流板缺口相同的情況下，雙弓形折流板的壓降只有單弓形折流板3050，而傳熱系數(shù)則是單弓形折流板的6080，所以，雙弓形折流板的綜合換熱性能優(yōu)于單弓形折流板。三弓形折流板類似于雙弓形折流板，在換熱器殼程將流體分成三股或多股平行

10、流5。2.1.2螺旋折流板螺旋折流板換熱器的提出基于這樣一種思想：通過改變殼程折流板的布置,使殼程流體呈連續(xù)的螺旋狀流動(dòng)。其優(yōu)點(diǎn)有：提高殼程的傳熱系數(shù)、相同質(zhì)量流量下具有較小的壓差、減少旁路漏流、減少殼程結(jié)垢、抑制流體誘導(dǎo)振動(dòng)6。理想的折流板布置應(yīng)該為連續(xù)的螺旋曲面。但是，螺旋曲面加工困難，而且換熱管與折流板的裝配也較難實(shí)現(xiàn)?？紤]到加工上的方便，采用一系列的扇形平面板（稱之為螺旋折流板）替代曲面相間連接，在殼程形成近似螺旋面，使殼程流體產(chǎn)生近似連續(xù)螺旋狀流動(dòng)。一般來說，出于加工方面的考慮，一個(gè)螺距取24 塊折流板，相鄰折流板之間有連續(xù)搭接和交錯(cuò)搭接兩種方式，按流道又可分為單螺旋和雙螺旋兩種結(jié)構(gòu)

11、。螺旋折流板換熱器強(qiáng)化傳熱是因?yàn)椋阂环矫媪黧w在殼程的螺旋流動(dòng)更加接近于柱塞狀流動(dòng)，提高了傳熱溫差；另一方面，螺旋流動(dòng)使殼程流體存在半徑方向的速度梯度并破壞了邊界層，從而強(qiáng)化了傳熱7。2.1.3整圓形隔板為了盡可能地改變弓形折流板換熱器中的橫向流動(dòng)為平行于管束的縱向流動(dòng)，消除滯留死區(qū)，提高流體在殼程的流速，出現(xiàn)了整圓形隔板。最初的整圓形隔板上不開缺口，板上鉆有大圓孔，既讓管子穿過，又有足夠的間隙讓流體通過。管內(nèi)外流體總體呈縱向流動(dòng)，傳熱溫差推動(dòng)力大，并且由于孔板與管壁構(gòu)成的圓環(huán)形間隙通道對流體可產(chǎn)生射流作用，使流體離開孔口很快形成湍流，射流同時(shí)對周圍的流體產(chǎn)生卷吸作用，可使流體在低Re 數(shù)下達(dá)到

12、局部湍流。整圓形大孔隔板增加了換熱器的直徑，而且對管子缺乏支撐，管束的抗振能力很差；為改進(jìn)其不足，出現(xiàn)了帶小孔的整圓形隔板，其在管孔之間開有小孔，傳熱介質(zhì)由小孔通過，但是隔板和管孔之間的間隙很容易結(jié)垢，引起腐蝕；為了彌補(bǔ)這一缺陷，又出現(xiàn)了矩形孔、梅花孔等異形孔整圓形隔板，這種異形孔整圓形隔板既能有效支撐管束，又能讓傳熱介質(zhì)通過隔板，當(dāng)介質(zhì)流過管孔時(shí)，能產(chǎn)生射流，對管子有自清潔作用，從而避免了管子結(jié)垢和腐蝕，但其缺點(diǎn)在于加工制造困難；繼而又出現(xiàn)了網(wǎng)狀整圓形隔板，它的特點(diǎn)是以相鄰的4 個(gè)管孔為一組，將管孔間的連接處銑通，殼程流體從銑口處流過折流板，使流體成全面積縱向流動(dòng)8。2.2 桿式支撐結(jié)構(gòu)折流

13、桿換熱器是1970 年由美國菲利浦石油公司首創(chuàng)的。其初衷是為了改善折流板換熱器中的流體誘導(dǎo)振動(dòng)，其主要特點(diǎn)是：殼程不再設(shè)置折流板，而由折流桿組成的折流圈來代替折流板，既對管子起支撐作用，又對流體起擾動(dòng)作用，藉以達(dá)到強(qiáng)化傳熱的目的。折流桿換熱器問世以后，其優(yōu)點(diǎn)當(dāng)時(shí)并未被工業(yè)界所認(rèn)識(shí)，應(yīng)用面很小。但是長期以來，美國菲利浦石油公司一直致力于折流桿換熱器的結(jié)構(gòu)和機(jī)理研究，開發(fā)了相應(yīng)的傳熱和流動(dòng)設(shè)計(jì)程序，申請并獲得了多項(xiàng)美國專利，并大力推廣這種新型的換熱裝置。迄今已為世界各國提供了1000 多臺(tái)折流桿換熱器。換熱器的直徑從300mm 到4000mm，管束最長達(dá)25m，管型有光管和螺紋管，應(yīng)用范圍包括氣氣

14、換熱器、冷卻器、重沸器、蒸汽發(fā)生器和廢熱鍋爐等9。折流桿換熱器的主要結(jié)構(gòu)是由一系列焊有折流桿的折流圈組成的折流籠。折流圈由折流桿和折流環(huán)組成，其內(nèi)徑等于管束外徑，其外徑等于殼體內(nèi)徑減去設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)所規(guī)定的間隙，折流桿均勻地焊在折流環(huán)上，每個(gè)折流圈相隔一定距離按一定排列方式焊接在拉桿上形成折流籠。折流桿可以是圓形、方形或是長方形，折流環(huán)可以用圓桿、方桿和方條制成。通常相鄰兩個(gè)折流圈的折流桿的方向是相互垂直的，這樣就能保證4 個(gè)折流圈分別從四個(gè)方向?qū)Q熱管固定。由于折流桿換熱器殼程流體為縱向流動(dòng)，不僅減小了流體的誘導(dǎo)振動(dòng)，而且能減小殼程壓降，在同樣的殼程壓降下，其傳熱系數(shù)比折流板換熱器高出許多。三、增

15、強(qiáng)傳熱的基本途徑31擴(kuò)展傳熱面積擴(kuò)展傳熱面積來增強(qiáng)傳熱，是合理的提高設(shè)備單位體積的傳熱面積，而不是單純的擴(kuò)大設(shè)備體積增加傳熱面積或增加設(shè)備臺(tái)數(shù)，而應(yīng)是從研究如何改進(jìn)傳熱面結(jié)構(gòu)出發(fā)加大傳熱面積，已達(dá)到換熱設(shè)備高效緊湊的目的。32加大傳熱溫差改變熱流體或冷流體的溫度就能改變傳熱溫差，另一方面，換熱器中兩種流體之問的平均溫差還與流體流動(dòng)方式有關(guān)，當(dāng)兩種流體以同方向流動(dòng)(順流)時(shí)，其平均溫差比起二者以相對方向流動(dòng)時(shí)(逆流)時(shí)的平均溫差要小，因此換熱器要盡可能采用逆流的流動(dòng)方式。增加傳熱溫差有時(shí)要受到工藝或設(shè)備條件的限制。33提高傳熱系數(shù)設(shè)法提高傳熱系數(shù)是增強(qiáng)傳熱的積極措施。因?yàn)閭鳠徇^程總熱阻是各項(xiàng)熱阻

16、的疊加。因此要改變傳熱系數(shù)就必須分析傳熱過程的每一項(xiàng)熱阻。在換熱設(shè)備中，一般都是金屬薄壁兩側(cè)奇勺冷熱流體進(jìn)行對流換熱，金屬薄壁導(dǎo)熱熱阻?？陕匀ゲ挥?jì)。結(jié)語強(qiáng)化傳熱是指能顯著改善傳熱性能的節(jié)能新技術(shù)，其主要內(nèi)容是采用強(qiáng)化傳熱元件，改進(jìn)換熱器結(jié)構(gòu)，提高傳熱效率，從而使設(shè)備投資和運(yùn)行費(fèi)用最低，以達(dá)到生產(chǎn)的最優(yōu)化。提高換熱器的換熱性能，在設(shè)計(jì)和制造方面可以節(jié)省投資并減小設(shè)備尺寸，在生產(chǎn)運(yùn)行中可以達(dá)到節(jié)能降耗和設(shè)備安全穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)的目標(biāo)，因此，傳熱對于節(jié)能降耗具有非常重要的科學(xué)意義。參考文獻(xiàn)1 黃素逸能源科學(xué)導(dǎo)論北京：中國電力出版社，19992 楊世銘，陶文銓傳熱學(xué)（第三版）北京：高等教育出版社，19983

17、Lutcha J，Nemcansky JPerformance improvement of tubular heat exchangers byhelical bafflesTrans IChME，1990，68（A）：2632704 趙曉曦多種新型管殼式換熱器的殼程傳熱強(qiáng)化問題研究博士學(xué)位論文廣州：華南理工大學(xué)，20035 歐陽惕，黃德斌管殼式換熱器殼程強(qiáng)化傳熱技術(shù)研究山西能源與節(jié)能，2005，1：27296 Wang S LHydrodynamic studies on heat exchangers with helical bafflesHeatTransfer Engineering，2002，23（3）：43498 王秋旺螺旋折流板管殼式換熱器殼程傳熱強(qiáng)化研究進(jìn)展西安交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2004，38：8818869 過增元，黃素逸等場協(xié)同原理與強(qiáng)化傳熱新技術(shù)北京：中國電力出版社，2004263280 DATE M.d.yyyy 9.15.2022 DATE HH:mm DATE M.d.yyyy