換熱器各種管束支撐的結(jié)構(gòu)與傳熱性能

1、換熱器各種管束支撐的結(jié)構(gòu)與傳熱性能換熱器各種管束支撐的結(jié)構(gòu)與傳熱性能李安軍 邢桂菊 周麗雯(遼寧科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院鞍山市114051)摘要：管束支撐是管殼式換熱器的重要元件，改變管束支撐的的形狀和結(jié)構(gòu)是強化傳熱的重要手段，文中詳細(xì) 描述和分析了弓形折流板、整圓形折流板、折流桿、螺旋隔板、空心圓環(huán)、管子自支撐結(jié)構(gòu)、抗振折流桿和旋流 片的結(jié)構(gòu)特點和傳熱特性,并對各種管束支撐的傳熱性能比較。每一種管束支撐都有自己的特點和工作環(huán)境，其優(yōu)缺點是相對的，但總的發(fā)展趨勢是管束支撐物的結(jié)構(gòu)加工工藝趨于簡單化，傳熱強化和抗振功能明顯提高。關(guān)鍵詞：管束支撐；傳熱性能；換熱器中圖分類號:TQ051文獻(xiàn)標(biāo)識碼

2、：A文章編號：1009 3281(2008)02 0028 0420世紀(jì)80年代以來，強化傳熱技術(shù)被譽為第二代傳熱技術(shù)1,并得到了充分的發(fā)展。它是能夠顯著改善傳熱 性能的節(jié)能技術(shù)，其主要內(nèi)容是強化傳熱元件和改變換熱器殼程的支撐結(jié)構(gòu)，用以提高換熱效率，達(dá)到生產(chǎn)的最優(yōu) 化。管束支撐是管殼式換熱器的重要原件，主要起到支撐管束、減小管束振動和引導(dǎo)殼程流體的流向的作用，一種 好的管束支撐，能夠強化殼程熱交換,節(jié)約投資和運營成本，因此，開發(fā)優(yōu)良的管束支撐結(jié)構(gòu)是非常必要的。工程上 已應(yīng)用的管束支撐主要有：弓形折流板、整圓形折流板、折流桿、螺旋隔板、空心圓環(huán)、抗振折流桿、旋流片和管子自支撐結(jié)構(gòu)等,這些管束支撐

3、各有優(yōu)缺點。1各種管束支撐1.1弓形折流板弓形折流板包括單弓形折流板和雙弓形折流板。單弓形折流板是化工企業(yè)用得最多的一種， 其結(jié)構(gòu)見圖1a,但是這種折流板具有流阻大，易結(jié)垢,易引發(fā)流體誘導(dǎo)振動等缺點2。雙弓形折流板由雙弓形隔板 和中心隔板組成，結(jié)構(gòu)見圖1b。兩種隔板沿管束方向交替排列,引導(dǎo)流體波浪式前進(jìn)。雙弓形隔板換熱器與間距和 缺口相同的單弓型隔板換熱器相比，雖然其壓降為后者的0.30.5,傳熱系數(shù)為后者的0.60.8，但總體的傳熱性 能是提高的3。弓形折流板換熱器可以用于單相、沸騰和冷凝的各種工況中，適用的介質(zhì)也比較多，如水、汽、原油、輕質(zhì)油等。1.2整圓形折流板已開發(fā)出的整圓形折流板有五

4、種結(jié)構(gòu)，如圖2。大管孔整圓形折流板出現(xiàn)得較早，板上有比管徑大的圓孔，圓心與管軸共線,既讓管子穿過，又可以讓管間流 體通過，這種縱流式結(jié)構(gòu)可以減小傳熱管的振動，但缺乏對管子的支撐作用。后來開發(fā)出帶小圓孔的整圓形折流 板，折流板上除鉆有等于管外徑的管孔外,管孔之間再鉆小圓孔，讓管間流體由小圓孔流過折流板，可以克服大管 孔整圓折流板的缺點。為進(jìn)一步提高性能，又開發(fā)出了矩形孔、梅花孔整圓形折流板,既能支撐管子，又能讓管間 流體流過折流板。還有一種網(wǎng)狀整圓形折流板,其結(jié)構(gòu)仍按普通折流板劃線、鉆孔，然后將折流板上的橫排孔以4個為一組，將管橋處銑通而成4。整圓形孔板能有效地堵塞殼程中管束與殼體之間的縫隙，從

5、而阻止流體在該縫隙中的無效流動;流體從孔板開孔處穿過,孔板的“節(jié)流作用”使流體產(chǎn)生波動和二次流而加劇湍流,有效地提高傳熱效率5。整圓形折流板結(jié)構(gòu)的換熱器殼程介質(zhì)主要為水和輕質(zhì)油，可適用于各種工況。1.3折流桿結(jié)構(gòu)折流桿縱流式換熱器是1970年美國菲利浦石油公司首先提出的，是為了解決傳統(tǒng)折流板換熱器中管子與折流 板的切割破壞和流體誘導(dǎo)振動，這種結(jié)構(gòu)是將管殼式換熱器中的折流板改成桿式支承，如圖3。折流桿式換熱器壓 降很低，低于弓形隔板的1/4;傳熱特性比也高，傳熱強化達(dá)1.32.4倍3。在相同設(shè)計條件下，雙殼程折流桿換 熱器的殼程流速提高了 1倍，殼程的給熱系數(shù)可提高52%74%。另外，折流桿與換

6、熱器的接觸面積很小，傳熱面積 得到充分利用，消除殼程滯留區(qū),改變了殼程流場的溫度分布。由于折流桿可以有效地避免流體誘導(dǎo)振動,因而流 體可以在殼體內(nèi)高速流動。折流桿結(jié)構(gòu)殼程適用的介質(zhì)有水、輕質(zhì)油和水蒸氣，可以用于汽液和液液等工況的強化換熱。）1.4螺旋隔板支撐LutchaJ和NemcanskyJ6于1983年提出殼程流體作螺旋運動可以有效地清除污垢死角、增強殼程湍流度、 強化換熱器殼程傳熱，其殼側(cè)支撐結(jié)構(gòu)是用一系列的扇形面相間連接，從而在殼側(cè)形成近似的螺旋面，亦稱螺旋折 流板換熱器3。這種換熱器折流板形成一種特殊的螺旋形結(jié)構(gòu)，與常規(guī)折流板的布置方式不同，它使得殼程的流 體做螺旋運動。通過已知實驗

7、研究可以看出,這種換熱器的優(yōu)良性能，對于以壓縮空氣為工質(zhì)，在相同的Re下,光 滑管螺旋隔板換熱器的管外膜傳熱系數(shù)是光滑管弓形隔板換熱器的1.251.8倍7;螺旋隔板換熱器的傳熱系數(shù) 最大可以為弓形隔板換熱器的1.39倍,壓降隨著螺旋角的不同大約可降低26%60%。螺旋隔板支撐結(jié)構(gòu)的換熱器 具有良好的防垢特性,適用于易結(jié)垢、高黏的介質(zhì)（如原油、油渣）的強化傳熱。1.5空心圓環(huán)空心圓環(huán)支撐結(jié)構(gòu)是采用小直徑金屬短管以一定間隔布置在換熱管束之間,起到支撐傳熱管和導(dǎo)流作用。這 種結(jié)構(gòu)的特點是:殼程間隙率大,流阻小，流速變化小，流體在空心環(huán)處可以充分形成湍流，增強傳熱;節(jié)約鋼材，減 輕設(shè)備重量，鋼材的消耗

8、量大大減少,所以,與傳統(tǒng)換熱器相比,空心圓環(huán)換熱器在投資費用方面占有很大的競爭 力，可節(jié)省25%8?？招膱A環(huán)結(jié)構(gòu)換熱器殼程介質(zhì)主要為低黏度液體，如水、酸、輕質(zhì)油等。1.6管子自支撐結(jié)構(gòu)管子自支撐結(jié)構(gòu)是管束依靠自身的結(jié)構(gòu)相互支撐，而不是通過附加的折流板、折流桿等結(jié)構(gòu)。節(jié)省了鋼材節(jié) 約了成本，減輕了設(shè)備的重量。這樣的結(jié)構(gòu)有變截面管、螺旋橢圓扁管、刺孔膜片和螺旋折流片9,10。1.6.1螺旋橢圓扁管螺旋橢圓扁管是把圓形光管壓成橢圓形,然后扭曲而成，結(jié)構(gòu)如圖4b,流體在管內(nèi)處于螺旋流動狀態(tài),因而破 壞了管壁附近的層流邊界層，提高了傳熱效率。這種管束結(jié)構(gòu)的特點是:兩個并行排列相鄰的管子在橢圓長軸處相 互

9、接觸、互相支撐，應(yīng)用這種管的換熱器取消了附加的管束支撐物，節(jié)約了材料和成本。研究表明，螺旋橢圓扁管換熱器具有較好的強化傳熱性能，管徑大小和螺旋導(dǎo)程對傳熱和阻力性能均有影響。 從綜合性能來看，大管徑優(yōu)于小管徑。對于相同規(guī)格的管子，導(dǎo)程增大，傳熱性能降低,流動阻力減小11。這種結(jié) 構(gòu)的換熱器與光管換熱器相比，熱流密度高50%,容積小30%。螺旋橢圓扁管支撐結(jié)構(gòu)的換熱器也可以用于單相、沸騰和冷凝的各種工況中。1.6.2螺旋折流片螺旋片傳熱管是在光管上均勻布置螺旋片，有左旋片管和右旋片管之分。換熱器的換熱管布置情況是螺旋片 管與光管交錯排列，左右兩根管是螺旋片管,螺旋方向分別是左旋和右旋，上下兩根管是

10、光管，放置在螺旋片上，不需要附加管束支撐。螺旋片能誘導(dǎo)生成渦旋流體，形成二次流，增強流體的湍流度，強化流體微團混合，使壁面附近的流速梯度增大，從而減薄粘性邊界層底層的厚度，有效提高傳熱系數(shù)。同時螺旋片形成的通道還增加了流體的流動路徑，提高了流動速度。數(shù)值模擬結(jié)果表明，螺旋片管的傳熱系數(shù)隨著螺旋角的增大而平緩增加,流動阻力損失加大,傳熱性能明顯優(yōu)于光管，傳熱系數(shù)可提高40%100%12。螺旋折流片管子支撐結(jié)構(gòu)的換熱器殼程的工作介質(zhì)可以是重油等高粘度的流體。1.7抗振折流桿下面介紹一種新型抗振折流桿結(jié)構(gòu)，如圖5。這種結(jié)構(gòu)保持了傳統(tǒng)折流桿換熱器縱流的特征，并且對換熱管也 起到夾持式支撐作用，能夠顯著

11、消除流體誘導(dǎo)振動;流體流過波浪型折流桿時使文丘里效應(yīng)和渦流脫離明顯增大， 提高了流體的湍動，又使換熱器在低雷諾數(shù)流動情況下有較好的傳熱系數(shù)。通過數(shù)值模擬對傳熱量和傳熱系數(shù)的 比較,夾持式折流桿換熱器都優(yōu)于傳統(tǒng)的折流桿換熱器，而且還克服了傳統(tǒng)折流桿換熱器結(jié)構(gòu)在高雷諾數(shù)下?lián)Q熱 管間的菱形磨損及低雷諾數(shù)下湍流擾動不足、傳熱效率急劇下降等缺點13?？拐裾哿鳁U是折流桿結(jié)構(gòu)的一種， 適用的工況和介質(zhì)也基本相同。1.8旋流片旋流片的結(jié)構(gòu)類似扭帶，結(jié)構(gòu)如圖614。扭帶是一種管的內(nèi)插件，其主要作用是擾動管內(nèi)流體,增加湍流度， 強化傳熱,Saha等15研究了在管內(nèi)間隔扭片插入物的流動和換熱情況，發(fā)現(xiàn)旋流片能以較小

12、的阻力損失為代價 顯著地提高換熱性能。旋流片支撐結(jié)構(gòu)作為新型的殼程構(gòu)件可以減小殼程流體的阻力、改善換熱性能同時也可 以起到支撐管束的作用。當(dāng)流經(jīng)旋流片時，流體在螺旋型流道內(nèi)受迫做螺旋流動，由原來的一股分裂成兩個螺旋流。由于流道面積的減 小及曲面的變化，流體得到充分?jǐn)_動，有效地沖刷壁面,減薄了邊界層。當(dāng)流體離開旋流片后，流體進(jìn)入自旋流狀 態(tài)，隨著距離的延長,兩個螺旋流逐漸合并成一個大的縱向渦。通過對空心圓環(huán)和旋流片支撐結(jié)構(gòu)的比較研究表明14,旋流片的換熱效果優(yōu)于空心環(huán)，但是阻力損失卻大 于空心環(huán),并且,旋流片的扭率是旋流片阻力損失的主要影響因素，小扭率的旋流片產(chǎn)生的形體阻力較大,流體不 易形成湍

13、流。有旋流片的換熱器殼程工作介質(zhì)可以是汽、液等工作介質(zhì)可適用于冷卻、冷凝、沸騰等各種工況。2各種支撐的性能比較每一種管束支撐都有自己的長處和缺點,不同的工況下，與不同的傳熱元件組合，傳熱效果是不同的。實驗研 究表明在相同跨距和流量下大管孔孔板折流板的組合，梅花形孔板的傳熱效果最好，是單弓型孔板的2.8倍，矩形 孔板是單弓形孔板的2.5倍16;橫紋槽管束的最佳支撐物是空心圓環(huán)或彈性波形薄片支撐,與弓形板支撐相比， 傳熱面積可以減少35%,傳熱效率可以提高38%,與折流桿支撐相比分別可以提高33%和35%17。綜合傳熱效果縱 流式支撐要好于橫流式的，但也不是絕對的，需要不同的組合配比?？傊?在選取管束支撐時要考慮到換熱器結(jié)構(gòu)、 經(jīng)