管壳式换热器强化传热研究
摘要：从管程强化和壳程强化两方面论述了管壳式换热器强化传热技术的机理，指出了管壳式换热器今后发展中的主要方向;同时对换热器的防腐措施以及改进动向作了介绍。 关键词：强化传热;管壳式换热器;防腐
Abstract: shell and tube heat exchanger was discussed from two aspects of the strengthening of the tube side and the strengthening of the shell to strengthen the mechanism of heat transfer technology, pointing out that the main direction of future development of the shell and tube heat exchanger; heat exchanger anti-corrosion measures well as improved trends were introduced. Keywords: heat transfer enhancement; shell and tube heat exchanger; anti-corrosion
引言
管壳式换热器是当今应用最广泛的换热设备，它具有高的可靠性和简单易用性。特别是在较高参数的工况条件下，管壳式更显示了其独有的长处“目前在提高该类换热器性能所开展的研究主要是强化传热，适应高参数和各类有腐蚀介质的耐腐材料以及为大型化的发展所作的结构改进。
一、换热器的强化传热研究
换热器的强化传热就是采用一定的措施增大换热设备的传热速率，力图用较少的传热面积或体积的设备来完成传热任务。各种强化型换热器在石油、化工、制冷、航空、车辆、动力机械等工业部门己得到广泛应用。强化传热已被学术界称为第二代传热技术。换热器的强化途径主要有:提高传热系数，扩大传热面积，增大传热温差等[1]。其中提高传热系数是当今强化传热的重点。传热系数的大小主要取决于换热器中两种流体的对流传热系数、污垢层的热阻和换热管管壁的热阻等。一般情况下热管管壁的热阻比较小，可以忽略不计，而主要通过在管内装入各种强化添加物(内插物)，设置挡板，增强湍流强度和延缓污垢层的形成等措施，达到提高传热系数的目的。在实际的操作过程中可以通过强化管程传热和强化壳程传热两个方面强化换热器的传热[12]。
1.1强化管程传热
目前管程强化传热[26]的研究主要集中在开发异型传热管，如:螺旋槽纹管、横纹槽管和缩放管等。国内外已经有许多研究单位和生产厂家成功的应用了技术。
(l)螺旋槽纹管换热器
其管内强化传热主要由两种方式起决定作用:流体在管内流动时受螺旋槽纹的引导，使靠近壁面的部分流体顺槽旋流，产生局部的二次流，增加流体的湍动性;还有一部分流体顺壁面轴向流动，由于螺旋槽导致形体阻力，产生逆向压力梯度，引起边界层分层及边界层中流体质量的扰动，从而加快由壁面至流体主体的热量传递。据有关文献报道美国国家Argonne实验室和GA技术公司设计、制造的螺旋槽纹管换热器，其传热性能比光管提高24倍。我国上海溶剂厂把螺旋槽纹管应用到甲醛余热锅炉中，使传热系数提高了60%[2]。目前，
优化螺旋槽纹管的几何尺寸，使之具有良好的传热性能是其今后发展的主要方向。
(2)横纹槽管换热器
流体经过圆环形的凹槽时，管壁上形成轴向旋涡，增加了流体边界层的扰动，使边界层分离，有利于使热量通过边界层进行传递。当漩涡将要消失时，流体又经过下一个圆环形凹槽，所以能保持不断地生成轴向旋涡，这就保证了连续稳定的强化作用。据报道，华南理工大学在研究了一种横纹管折流杆换热器，这种设备将横纹槽管强化传热技术和折流杆换热器技术结合起来，同时提高了管程换热和壳程换热效率，并发现在相同管内流速下其传热效率要优于螺旋槽管，并将这种设备在云南某厂投入使用，取代了原来的原来的列管式析流板主热交换器，使设备投资减少了原来的1/3[4]。
(3)缩放管换热器
流体在经过扩展段时流体速度降低并且静压增加，而在流体经过收缩段时正好相反。由于在扩展段中流体质点速度的变化而产生了剧烈的漩涡，这样在经过收缩段时就会冲刷流体边界层，边界层就会变薄，所以缩放管可以强化管内外单相流体的传热，与光管相比其传热量可以增加70%。
(4)波纹管换热器
由于波纹管壁较薄，波峰波谷高度差达10mm，这种换热管可以自由地轴向仲缩，流体在复杂界面流动下可以不断改变方向和流速，改变紊流的脉动性，并促使湍流产生，减小层流底层，增强相变换热等，增大传热系数，并且由于在温差作用下的可仲缩性，具有较强的防垢和除垢能力[5]。波纹管换热器比普通光管换热器的总传热系数可提高1.7倍。
(5)内插物形换热器
用内插物通过改变流道，对器壁产生较高的流体应力，促进管内流形成湍流，降低管内流体由层流转变到湍流时的临界雷诺数，强化管内单相流体传热，达到强化传热的目的。据文献报道，英国CalGavinLtd公司开发一种绕丝花环换热器，它采用了一种金属丝制翅片管子插入件，用于液体工况时可使管程传热效率提高25倍，用于气体时可提高5倍，并且其防垢能力也可以提高[7]。
1.2壳程传热强化
传统的管壳式换热器，流体经过壳侧转折处和管束两端入口及出口处均存在着涡流滞留区，因此会影响壳程的传热膜系数，并且容易结垢，流阻大，为了强化壳程传热，目前研究的主要途径是:一方面改变管子的形状和表面性质，加入扰动促进体，另一方面改变管支撑物和壳程挡板的形式，这些改进可以降低流体在课程中的阻力，保证流体在壳程中以湍流状态纵向流动，以利于强化壳程传热[23]。
(1)强化沸腾传热的传热管 强化沸腾传热主要是通过将热传递表面特制成粗糙表面，使薄膜面积变大，隧道与外界液体流通，有利于蒸汽流出和液体吸入。如日立公司的表面多孔管(E管)，孔口带蛇的多孔管(EZ管)、德国的Wieland一werke公司的T管，这些换热器表面形成多孔的隧道，增加气化核心，有利于沸腾时强烈的对流给热。[2]
(2)强化冷凝传热的传热管 锯齿形翅片管是新型的冷凝传热管，与螺纹管相比翅间距更密，翅片外缘有锯齿缺口，因而具有比螺旋管更大的传热面积，其顶部有错开锯齿状，使凝液流动呈扰动状态，因而促进了冷凝液膜的对流传热，其管外冷凝给热系数时光管的6倍，是低肋管的1.5一2倍。[3]
(3)纵流管束换热器 德国GRIMMA公司展出了一种整圆形折流板换热器，不开任何缺口，其横排管孔以四个孔为一组在管桥处铣通，壳侧流体在管桥处沿着轴向流动。该公司用用甘油与水混合后进行试验，结果表明，与传统结构的圆缺形折流板换热器相比，在中、低粘度范围内，纵流管束换热器具有明显的传热效果。[2]
(4)折流杆式换热器 折流杆换热器是由分离板和纵向滑动杆组成的折流栅代替折流板的换热器，它由排布的支撑杆形式形成一系列的壳程折流，折流栅构件主要包括支撑杆、折流环交叉支撑拉杆、分隔板和纵向滑动杆。其支撑方式是通过每4个不同折流栅上的圆钢杆分别限制四个方向的位移，其特点是壳程内流体流动为纵向流动，使流体压降减小，传热面积得到充分利用，抗震能力强，消除了壳程滞留区，改善了流体的速度和温度的分布。[1]
(5)螺旋折流板换热器 螺旋折流板换热器的这流板互相形成一种特殊的螺旋形结构，每个折流板与壳程流体的流动方向成一定的角度，由于使得壳程流体沿着折流板作螺旋运动，而且螺旋运动使壳侧流体存在着半径方向的速度梯度并破坏了边界层，也强化了传热，此外还能减少管板与壳体之间易结垢的死角，能显著的防止结垢，从而提高换热效率。
(6)空心环管壳式换热器 空心环管壳式换热器以强化管作为环热管，能够同时强化管内与管间支撑物，空隙率大，对流体形体阻力小，其壳程管隙间流体大部分压降可作用在强化管得粗糙传热面上，用以促进壁流体传热滞留层的湍流强度，降低传热热阻，达到强化传热的目的。[1]
二、结论
综上所述，随着强化传热理论的研究，加强管壳式换热器的改进，将高效传热管与壳程强化传热的支撑结构相结合是今后换热器发展的一个重要方向。不仅要重视加强换热器传热元件的研究，而且防腐措施的强化同样具有举足轻重的作用，综合考虑各方面因素，生产高质量、低成本的换热器，在推动生产发展的同时，也会获得较高的经济效益。
参考文献
[1] 崔海亭，姚仲鹏，王瑞君.强化型管壳式换热器的研究现状与发展[J].火力原子力发电，1976，27(2):171~182.
[2] 崔海亭，龚立武.高效能管壳式热交换器的技术进展及应用[J].河北工业科技，1999，16(3):27~31.
[3] 方书起，祝春进，吴勇，牛青川，赵银峰.强化传热技术与新型高效换热器研究进展[J].化工机械，2004，31(4):249~253.
[4] 赵国辉，隋军.管壳式换热器技术进展[J].化学工业与工程技术，2000，21(4):12一14
[5] 李尔国，俞树荣，何世权.管壳式换热器新型强化传热技术[J].石油化工设备，1999，28(6):42~45.
[6] 褚家瑞.当代管壳式和板式换热设备的技术进展〔J〕.石油化工设备，1992，21(2):3~7.
[7] 吴亚冬.管壳式换热器的研究与进展〔J〕.化工时刊，2002，11:18~22.
[8] 陈增, 李宝宏, 李胜军. 管壳式换热器的研究进展与方向[J] 内蒙古石油化工，2005（8），85-87.
[9] 郑津洋.过程设备设计[M].北京：化学工业出版社，2001.
[10] 朱有庭、曲文海.化工设备设计手册上卷[M].北京:化学工业出版社,2005.
[11] 钱颂文主编.换热器设计手册[M].北京：化学工业出版社，2002.
[12] 匡国柱,史启才.化工单元过程及设备课程设计[M].北京:化学工业出版社,2001.
[13] David Buttenvorth. Process heat transfer 2010 [J].Applied Thermal Engineering,
24(2004):1395—1470
[14] Spence J.,Nash D.H.milestne in Pressure Vessel Technology[J]. International
Journal of Pressure Vessels and Piping, 2004,81: 89-118
管壳式换热器强化传热研究
摘要：从管程强化和壳程强化两方面论述了管壳式换热器强化传热技术的机理，指出了管壳式换热器今后发展中的主要方向;同时对换热器的防腐措施以及改进动向作了介绍。 关键词：强化传热;管壳式换热器;防腐
Abstract: shell and tube heat exchanger was discussed from two aspects of the strengthening of the tube side and the strengthening of the shell to strengthen the mechanism of heat transfer technology, pointing out that the main direction of future development of the shell and tube heat exchanger; heat exchanger anti-corrosion measures well as improved trends were introduced. Keywords: heat transfer enhancement; shell and tube heat exchanger; anti-corrosion
引言
管壳式换热器是当今应用最广泛的换热设备，它具有高的可靠性和简单易用性。特别是在较高参数的工况条件下，管壳式更显示了其独有的长处“目前在提高该类换热器性能所开展的研究主要是强化传热，适应高参数和各类有腐蚀介质的耐腐材料以及为大型化的发展所作的结构改进。
一、换热器的强化传热研究
换热器的强化传热就是采用一定的措施增大换热设备的传热速率，力图用较少的传热面积或体积的设备来完成传热任务。各种强化型换热器在石油、化工、制冷、航空、车辆、动力机械等工业部门己得到广泛应用。强化传热已被学术界称为第二代传热技术。换热器的强化途径主要有:提高传热系数，扩大传热面积，增大传热温差等[1]。其中提高传热系数是当今强化传热的重点。传热系数的大小主要取决于换热器中两种流体的对流传热系数、污垢层的热阻和换热管管壁的热阻等。一般情况下热管管壁的热阻比较小，可以忽略不计，而主要通过在管内装入各种强化添加物(内插物)，设置挡板，增强湍流强度和延缓污垢层的形成等措施，达到提高传热系数的目的。在实际的操作过程中可以通过强化管程传热和强化壳程传热两个方面强化换热器的传热[12]。
1.1强化管程传热
目前管程强化传热[26]的研究主要集中在开发异型传热管，如:螺旋槽纹管、横纹槽管和缩放管等。国内外已经有许多研究单位和生产厂家成功的应用了技术。
(l)螺旋槽纹管换热器
其管内强化传热主要由两种方式起决定作用:流体在管内流动时受螺旋槽纹的引导，使靠近壁面的部分流体顺槽旋流，产生局部的二次流，增加流体的湍动性;还有一部分流体顺壁面轴向流动，由于螺旋槽导致形体阻力，产生逆向压力梯度，引起边界层分层及边界层中流体质量的扰动，从而加快由壁面至流体主体的热量传递。据有关文献报道美国国家Argonne实验室和GA技术公司设计、制造的螺旋槽纹管换热器，其传热性能比光管提高24倍。我国上海溶剂厂把螺旋槽纹管应用到甲醛余热锅炉中，使传热系数提高了60%[2]。目前，
优化螺旋槽纹管的几何尺寸，使之具有良好的传热性能是其今后发展的主要方向。
(2)横纹槽管换热器
流体经过圆环形的凹槽时，管壁上形成轴向旋涡，增加了流体边界层的扰动，使边界层分离，有利于使热量通过边界层进行传递。当漩涡将要消失时，流体又经过下一个圆环形凹槽，所以能保持不断地生成轴向旋涡，这就保证了连续稳定的强化作用。据报道，华南理工大学在研究了一种横纹管折流杆换热器，这种设备将横纹槽管强化传热技术和折流杆换热器技术结合起来，同时提高了管程换热和壳程换热效率，并发现在相同管内流速下其传热效率要优于螺旋槽管，并将这种设备在云南某厂投入使用，取代了原来的原来的列管式析流板主热交换器，使设备投资减少了原来的1/3[4]。
(3)缩放管换热器
流体在经过扩展段时流体速度降低并且静压增加，而在流体经过收缩段时正好相反。由于在扩展段中流体质点速度的变化而产生了剧烈的漩涡，这样在经过收缩段时就会冲刷流体边界层，边界层就会变薄，所以缩放管可以强化管内外单相流体的传热，与光管相比其传热量可以增加70%。
(4)波纹管换热器
由于波纹管壁较薄，波峰波谷高度差达10mm，这种换热管可以自由地轴向仲缩，流体在复杂界面流动下可以不断改变方向和流速，改变紊流的脉动性，并促使湍流产生，减小层流底层，增强相变换热等，增大传热系数，并且由于在温差作用下的可仲缩性，具有较强的防垢和除垢能力[5]。波纹管换热器比普通光管换热器的总传热系数可提高1.7倍。
(5)内插物形换热器
用内插物通过改变流道，对器壁产生较高的流体应力，促进管内流形成湍流，降低管内流体由层流转变到湍流时的临界雷诺数，强化管内单相流体传热，达到强化传热的目的。据文献报道，英国CalGavinLtd公司开发一种绕丝花环换热器，它采用了一种金属丝制翅片管子插入件，用于液体工况时可使管程传热效率提高25倍，用于气体时可提高5倍，并且其防垢能力也可以提高[7]。
1.2壳程传热强化
传统的管壳式换热器，流体经过壳侧转折处和管束两端入口及出口处均存在着涡流滞留区，因此会影响壳程的传热膜系数，并且容易结垢，流阻大，为了强化壳程传热，目前研究的主要途径是:一方面改变管子的形状和表面性质，加入扰动促进体，另一方面改变管支撑物和壳程挡板的形式，这些改进可以降低流体在课程中的阻力，保证流体在壳程中以湍流状态纵向流动，以利于强化壳程传热[23]。
(1)强化沸腾传热的传热管 强化沸腾传热主要是通过将热传递表面特制成粗糙表面，使薄膜面积变大，隧道与外界液体流通，有利于蒸汽流出和液体吸入。如日立公司的表面多孔管(E管)，孔口带蛇的多孔管(EZ管)、德国的Wieland一werke公司的T管，这些换热器表面形成多孔的隧道，增加气化核心，有利于沸腾时强烈的对流给热。[2]
(2)强化冷凝传热的传热管 锯齿形翅片管是新型的冷凝传热管，与螺纹管相比翅间距更密，翅片外缘有锯齿缺口，因而具有比螺旋管更大的传热面积，其顶部有错开锯齿状，使凝液流动呈扰动状态，因而促进了冷凝液膜的对流传热，其管外冷凝给热系数时光管的6倍，是低肋管的1.5一2倍。[3]
(3)纵流管束换热器 德国GRIMMA公司展出了一种整圆形折流板换热器，不开任何缺口，其横排管孔以四个孔为一组在管桥处铣通，壳侧流体在管桥处沿着轴向流动。该公司用用甘油与水混合后进行试验，结果表明，与传统结构的圆缺形折流板换热器相比，在中、低粘度范围内，纵流管束换热器具有明显的传热效果。[2]
(4)折流杆式换热器 折流杆换热器是由分离板和纵向滑动杆组成的折流栅代替折流板的换热器，它由排布的支撑杆形式形成一系列的壳程折流，折流栅构件主要包括支撑杆、折流环交叉支撑拉杆、分隔板和纵向滑动杆。其支撑方式是通过每4个不同折流栅上的圆钢杆分别限制四个方向的位移，其特点是壳程内流体流动为纵向流动，使流体压降减小，传热面积得到充分利用，抗震能力强，消除了壳程滞留区，改善了流体的速度和温度的分布。[1]
(5)螺旋折流板换热器 螺旋折流板换热器的这流板互相形成一种特殊的螺旋形结构，每个折流板与壳程流体的流动方向成一定的角度，由于使得壳程流体沿着折流板作螺旋运动，而且螺旋运动使壳侧流体存在着半径方向的速度梯度并破坏了边界层，也强化了传热，此外还能减少管板与壳体之间易结垢的死角，能显著的防止结垢，从而提高换热效率。
(6)空心环管壳式换热器 空心环管壳式换热器以强化管作为环热管，能够同时强化管内与管间支撑物，空隙率大，对流体形体阻力小，其壳程管隙间流体大部分压降可作用在强化管得粗糙传热面上，用以促进壁流体传热滞留层的湍流强度，降低传热热阻，达到强化传热的目的。[1]
二、结论
综上所述，随着强化传热理论的研究，加强管壳式换热器的改进，将高效传热管与壳程强化传热的支撑结构相结合是今后换热器发展的一个重要方向。不仅要重视加强换热器传热元件的研究，而且防腐措施的强化同样具有举足轻重的作用，综合考虑各方面因素，生产高质量、低成本的换热器，在推动生产发展的同时，也会获得较高的经济效益。
参考文献
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[6] 褚家瑞.当代管壳式和板式换热设备的技术进展〔J〕.石油化工设备，1992，21(2):3~7.
[7] 吴亚冬.管壳式换热器的研究与进展〔J〕.化工时刊，2002，11:18~22.
[8] 陈增, 李宝宏, 李胜军. 管壳式换热器的研究进展与方向[J] 内蒙古石油化工，2005（8），85-87.
[9] 郑津洋.过程设备设计[M].北京：化学工业出版社，2001.
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[13] David Buttenvorth. Process heat transfer 2010 [J].Applied Thermal Engineering,
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[14] Spence J.,Nash D.H.milestne in Pressure Vessel Technology[J]. International
Journal of Pressure Vessels and Piping, 2004,81: 89-118