1、管殼式換熱器節(jié)能技術(shù)綜述摘 要:采用節(jié)能技術(shù)的高效換熱器不僅提高了能源利用率，且減少了金屬材 料的消耗，對(duì)推進(jìn)石油化工行業(yè)的節(jié)能減排工作有著積極意義。簡(jiǎn)要介紹了管殼 式換熱器換熱管強(qiáng)化傳熱技術(shù)和殼程強(qiáng)化傳熱技術(shù),分析了各自的原理、優(yōu)缺點(diǎn) 及推薦使用場(chǎng)合。關(guān)鍵詞:換熱器；節(jié)能減排；強(qiáng)化傳熱中圖分類號(hào):TQ051. 5文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A文章號(hào):1009-3281(2008)05-0016-05目前在我國石油化工行業(yè)中，換熱設(shè)備投資占設(shè)備投資的30%以上,在換熱 設(shè)備中，使用量最大的是管殼式換熱器，其中80%以上的管殼式換熱器仍采用弓 形折流板光管結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)決定了換熱器傳熱效果差，殼程壓降大，與我國

2、正在 推行的節(jié)能減排政策不相適應(yīng)。因此提高換熱器的效能對(duì)化工行業(yè)節(jié)能減排、提 高效益非常重要。換熱設(shè)備傳熱過程的強(qiáng)化就是力求使換熱設(shè)備在單位時(shí)間內(nèi)、單位傳熱面積 傳遞的熱量盡可能增多。應(yīng)用強(qiáng)化傳熱技術(shù)的目的是為了進(jìn)一步提高換熱設(shè)備的 效率，減少能量傳遞過程中的損失,更合理更有效地利用能源。提高傳熱系數(shù)、擴(kuò) 大單位傳熱面積、增大傳熱溫差是強(qiáng)化傳熱的三種途徑,其中提高傳熱系數(shù)是當(dāng) 今強(qiáng)化傳熱的重點(diǎn)。一、換熱管強(qiáng)化傳熱技術(shù)管程的強(qiáng)化傳熱通常是對(duì)光管進(jìn)行加工得到各種結(jié)構(gòu)的異形管，如螺旋槽紋 管、橫槽紋管、波紋管、低螺紋翅片管(螺紋管)、螺旋扁管、多孔表面管、針翅 管等，通過這些異形管進(jìn)行傳熱強(qiáng)化。螺旋

3、槽紋管螺旋槽紋管管壁是由光管擠壓而成，如圖1所示，有單頭和多頭之分，其管內(nèi) 強(qiáng)化傳熱主要由兩種流動(dòng)方式?jīng)Q定：一是螺旋槽近壁處流動(dòng)的限制作用，使管內(nèi) 流體做整體螺旋運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的局部二次流動(dòng)；二是螺旋槽所導(dǎo)致的形體阻力，產(chǎn)生 逆向壓力梯度使邊界層分離。螺旋槽紋管具有雙面強(qiáng)化傳熱的作用,適用于對(duì)流、 沸騰和冷凝等工況，抗污垢性能高于光管,傳熱性能較光管提高24倍。2、橫槽紋管橫槽紋管如圖2所示，其強(qiáng)化機(jī)理為：當(dāng)管內(nèi)流體流經(jīng)橫向環(huán)肋時(shí)，管壁附近 形成軸向漩渦，增加了邊界層的擾動(dòng)，使邊界層分離，有利于熱量的傳遞。當(dāng)漩渦 將要消失時(shí)流體又經(jīng)過下一個(gè)橫向環(huán)肋，因此不斷產(chǎn)生渦流，保持了穩(wěn)定的強(qiáng)化 傳熱作用。研究

4、和實(shí)際應(yīng)用證明:橫槽紋管與單頭螺旋槽紋管比較，在相同流速下, 流體阻力要大一些,傳熱性能好些，其應(yīng)用場(chǎng)合與螺旋槽紋管相同。3、波紋管對(duì)波紋管按流體力學(xué)觀點(diǎn)分析:在波峰處流體速度降低,靜壓增加，在波谷處 流速增加，靜壓降低。流體的流動(dòng)在反復(fù)改變軸向壓力梯度下進(jìn)行，產(chǎn)生了劇烈的 漩渦，沖刷流體的邊界層，使邊界層減薄。因此用波紋管做換熱管從理論上講：由 于波節(jié)的存在，增加了對(duì)管內(nèi)流體流動(dòng)的擾動(dòng)，使波紋管具有較好的傳熱效果，但 流動(dòng)特性不如光管的好。在低雷諾數(shù)下，波紋管的換熱與阻力性能比明顯好于光 管;在高雷諾數(shù)下，波紋管與光管的換熱與阻力性能比非常接近。波紋管的波形大 致可分為以下幾類:波鼓形、梯形

5、、縮放形和波節(jié)形，詳細(xì)結(jié)構(gòu)分別見圖36。圖5 縮放管圖6波節(jié)管4、翅片管翅片管是一種外壁帶肋的管子，肋的截面形狀有矩形、鋸齒形、三角形、T 型、E型、花瓣型等等，這種管子有助于擴(kuò)大傳熱面積,促進(jìn)流體的湍流,一般用 于以殼程熱阻為主的情況。當(dāng)殼程熱阻為管程2倍以上時(shí)，使用翅片管是合適的。 但不能用來處理容易結(jié)焦的介質(zhì)，其中低螺紋翅片管（圖7）和變形翅片管（圖8） 的翅化率一般小于3,用于管內(nèi)介質(zhì)給熱系數(shù)比管外介質(zhì)給熱系數(shù)大于2倍以上的情況時(shí)可以提高傳熱系數(shù)30%左右。變形翅籽管5、螺旋扁管螺旋扁管（圖9）的獨(dú)特結(jié)構(gòu)使流體在管內(nèi)處于螺旋流動(dòng)，促進(jìn)湍流程度。實(shí) 驗(yàn)研究表明：螺旋扁管管內(nèi)膜傳熱系數(shù)通常

6、比普通圓管大幅度提高，在低雷諾數(shù) 時(shí)最為明顯，達(dá)23倍;隨著雷諾數(shù)的增大，通常也可提高傳熱系數(shù)50%以上。6、表面多孔管在普通金屬管表面敷上一層多孔性金屬層，形成表面多孔管。表面多孔管能 顯著地強(qiáng)化沸騰給熱過程，但其表面的多孔狀局限了其只能應(yīng)用于無垢或輕垢的 場(chǎng)合。制造表面多孔層的方法主要有:燒結(jié)法、火焰噴涂法、電鍍法及機(jī)械加工 法等。目前已投入規(guī)模生產(chǎn)的為燒結(jié)法和機(jī)械加工法。7、針翅管針翅管（圖10）既擴(kuò)大了傳熱面，又可造成流體的強(qiáng)烈擾動(dòng)，極大地強(qiáng)化傳熱, 而且壓降不大，并可籍針翅互相支撐而取消折流支撐板（桿），大大節(jié)省支撐板材 料，可代替光管和螺紋管作為油品換熱器的換熱管，也是低傳熱膜系數(shù)

7、、高粘度介 質(zhì)和含塵高溫?zé)煔獾睦硐雮鳠峁?，可用于油品等縱向流管束換熱和煙氣鍋爐或余 熱回收中。國10件建管8、管內(nèi)插入件管內(nèi)插入件是強(qiáng)化管內(nèi)單相流體傳熱的行之有效的方法之一。目前管內(nèi)插入 件的種類很多，有紐帶、螺旋線圈、螺旋片、靜態(tài)混合器等。管內(nèi)加麻花片紐帶 使管內(nèi)換熱系數(shù)比光管增加了 56%95%，摩擦系數(shù)增加了 70%400%。因內(nèi)插物 是為了降低管內(nèi)流體由層流轉(zhuǎn)變到湍流時(shí)的臨界雷諾數(shù)，一般說，它們?cè)诘屠字Z 數(shù)下強(qiáng)化傳熱的效果比湍流區(qū)更佳。目前強(qiáng)化傳熱管已廣泛地應(yīng)用于石油、化工、 制冷、航空、車輛、動(dòng)力機(jī)械等工業(yè)部門，在利用地?zé)?、海洋熱能、太陽能以?余熱等低溫差能源中，強(qiáng)化傳熱管將更有應(yīng)

8、用價(jià)值。強(qiáng)化傳熱管提高了換熱器的 傳熱性能，并減小了換熱器所需的傳熱溫差和壓降損失，有巨大的經(jīng)濟(jì)效益。二、殼程強(qiáng)化傳熱技術(shù)在管殼式換熱器中，管束支撐結(jié)構(gòu)的主要作用是:支撐管束，使殼程流體產(chǎn)生 期望的流型和流速，阻止管子因流體誘導(dǎo)振動(dòng)而發(fā)生失效。因此，管束支撐結(jié)構(gòu)是 殼程內(nèi)的關(guān)鍵部件，直接影響著換熱器殼程的流體流動(dòng)和傳熱性能。管束支撐結(jié) 構(gòu)經(jīng)過多年的研究、應(yīng)用和發(fā)展，概括起來有3種類型：橫流式支撐，如傳統(tǒng)的弓形折流板，使殼程流體呈橫向流動(dòng)；縱流式支撐，如折流桿式等新型支撐，使殼程流體呈縱向流動(dòng)；螺旋流式支撐，如螺旋折流板，使殼程流體呈螺旋流動(dòng)，分別見圖1113。I! 13或旋折流板挽典耕1、折流

9、桿換熱器傳統(tǒng)的管殼式換熱器殼程流體橫向沖刷管束,傳熱效率較低，流動(dòng)阻力大,常 發(fā)生流體誘導(dǎo)振動(dòng)而導(dǎo)致破壞。為解決換熱管束的振動(dòng)問題，美國菲利浦石油公 司在20世紀(jì)70年代開發(fā)了折流桿式換熱器（圖14）,該換熱器不僅解決了振動(dòng)問 題,而且由于殼側(cè)流體的縱向流動(dòng)使折流桿換熱器比傳統(tǒng)的弓形折流板換熱器傳 熱系數(shù)提高30%左右,殼程壓降減少50%。圖14桿式支承殼程縱流換熱轍結(jié)構(gòu)1.淖 FT2、整圓形折流板換熱器由于流體在殼程中作縱向流動(dòng)是管殼式換熱器中最理想的流動(dòng)形式，因此近 年來又開發(fā)出了一些新型縱流式換熱器，圖15中列舉了幾種常見的整圓形折流 板，如矩形孔折流板，梅花孔折流板等。這種異型折流板性

10、能特點(diǎn)是：能有效地支撐管束，從而避免管束發(fā)生流體誘導(dǎo)振動(dòng)(“大管孔”式除 外)；孔板截面積小于殼程流通面積，因而可以調(diào)節(jié)殼程流體速度；各種形式的孔對(duì)流體具有“射流作用”，射流流體速度高且直接沖刷管 外壁，因而能增加流體湍流度,減薄管壁液體的邊界層，因而有效強(qiáng)化了殼程傳熱, 適用于中、低粘度流體且雷諾數(shù)不太大的場(chǎng)合。J.朗Hl 3、螺旋折流板換熱器螺旋折流板換熱器可分為單螺旋折流板換熱器和雙螺旋折流板換熱器。螺旋 折流板換熱器與常規(guī)折流板相互平行布置方式不同，它的折流板相互形成一種螺 旋形結(jié)構(gòu)，每個(gè)折流板與殼程流體的流動(dòng)方向成一定的角度，使殼程流體做螺旋 運(yùn)動(dòng)，能減少管板與殼體之間易結(jié)垢的死角，

11、從而提高了換熱效率。螺旋流換熱器 的強(qiáng)化傳熱機(jī)理為螺旋通道內(nèi)的流型減弱了邊界層的形成，從而使傳熱系數(shù)有較 大增加。相對(duì)于弓形折流板，螺旋折流板消除了弓形折流板的返混現(xiàn)象，從而提高 有效傳熱溫差，防止流動(dòng)誘導(dǎo)振動(dòng)；在相同流速時(shí)，殼程流動(dòng)壓降小；基本不存在 流動(dòng)與傳熱死區(qū)，不易結(jié)垢，適宜于處理含固體顆粒、粉塵、泥沙等流體。對(duì)于低 雷諾數(shù)下（Re1 000）的傳熱，螺旋折流板效果更為突出。在螺旋折流板換熱器中, 螺旋角。（即殼側(cè)介質(zhì)流動(dòng)方向與管束橫截面之間的夾角）將直接影響殼側(cè)流體 的流動(dòng)及傳熱性能。4、空心環(huán)管殼式換熱器空心環(huán)管殼式換熱器（圖16）用空心環(huán)管作支撐結(jié)構(gòu)，該支撐方式軸向流道 空隙率可

12、高達(dá)80%,故對(duì)軸向沖刷的流體形體阻力非常小，可使絕大部分殼程流 體的壓降作用在強(qiáng)化傳熱管的粗糙傳熱界面上，用以促進(jìn)界面上的對(duì)流傳熱，充 分發(fā)揮管外的傳熱強(qiáng)化作用，在低流阻條件下獲得高的傳熱性能。圖16 空心邱殳成井構(gòu)5、刺孔膜片管換熱器刺孔膜片管換熱器的特點(diǎn)為刺孔膜片既是支撐元件，又是管壁的延伸，增大 了單位體積內(nèi)的有效傳熱面積；膜片上的毛刺和小孔增大了流體湍流度，各區(qū)間 的流體經(jīng)小孔實(shí)現(xiàn)一定程度的混合；刺和孔使換熱表面的邊界層不斷更新，減薄 了層流底層厚度，從而提高了換熱系數(shù);殼程流體縱向流動(dòng),壓力降很小。6、螺旋橢圓扁管換熱器螺旋橢圓扁管是一種雙面強(qiáng)化管，由圓管軋制或由橢圓管扭曲而成，靠

13、相鄰 管突出處的點(diǎn)接觸支撐管子。流體在管螺旋面的作用下呈螺旋運(yùn)動(dòng)，流速和流向 發(fā)生周期性變化，加強(qiáng)了流體的軸向混合和湍動(dòng)程度，同時(shí)強(qiáng)化管內(nèi)、外傳熱;殼 程流體流經(jīng)相鄰管子的螺旋線接觸點(diǎn)后形成脫離管壁的尾流，增大了流體自身的 湍流度，破壞了管壁上的流體邊界層，從而使殼程傳熱得到增強(qiáng)。螺旋橢圓扁管主 要用于強(qiáng)化高粘度流體的層流換熱，管內(nèi)流體旋轉(zhuǎn)導(dǎo)致的二次流是使換熱得以強(qiáng) 化的主要原因。7、變截面管換熱器變截面管是將普通圓管用機(jī)械方法相隔一定節(jié)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(diǎn)接觸互相支撐，同時(shí)又組成殼程的擾流 元件。其結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，且是雙面強(qiáng)化管，但最大弱點(diǎn)是管內(nèi)阻力太

14、大。三、結(jié)束語強(qiáng)化傳熱對(duì)石油化工行業(yè)節(jié)能有著重大意義。采用各種節(jié)能技術(shù)的高效換熱 器不僅能夠提高能源效率，而且結(jié)構(gòu)緊湊,可減少金屬材料消耗。高效換熱器作為 一種節(jié)能設(shè)備得到政府的高度重視，應(yīng)將換熱器的節(jié)能技術(shù)與企業(yè)的應(yīng)用緊密結(jié) 合起來,使各種形式的高效換熱器得到大面積的推廣，把石油化工行業(yè)的節(jié)能減 排工作落到實(shí)處。參考文獻(xiàn)程俊國，馮駿，靳明聰，等.螺旋管的傳熱及流阻性能J.重慶大學(xué)學(xué) 報(bào)，1980, 8 (3): 81-94.2 李向明，葉國興，鄧頌九.高效換熱元件一螺旋槽管的研究及應(yīng)用J.化 工學(xué)報(bào)，1982, 33 (4): 359-367.:3 鄧先和，譚盈科,鄧頌九.多頭與單頭螺旋槽管

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