1、管壳式换热器发展趋势及帘式折流片换热器设计介绍摘 要: 文章从管程和壳程两方面介绍了管壳式换热器的发展进程和状况，根据国内外现有的管壳式换热器的发展情况，对管壳式换热器换热管程强化传热技术和壳程强化传热技术做出介绍。并针对目前管壳式换热器的缺点，设计一种具有新型管束支撑结构的高效节能管壳式换热器帘式折流片换热器。关键词：管壳式换热器；发展趋势；强化传热；斜向流Development of tubular Heat Exchanger and a curtain type baffle heat exchangerAbstract:In this article,the progressive
2、process and current situation of tubular heat exchanger were introduced.Based on the development process, the intensified heat transfer techniques used in tube side and shell sidewere briefly introduced.And in light of the shortcomings of the tube and shell heat exchanger, design a kind of new type
3、tube bundle support structure of high efficiency and energy saving tube shell type heat exchanger - curtain type baffle heat exchangerKeywords.Tubular heat exchanger，Development trends，强化传热 intensified heat transfer ；Oblique flow1 管壳式换热器壳程支承结构强化传热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
4、，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。管壳式换热器根据其管束支承结构不同可分为四种形式:板式支承，;杆式支承，;空心环支承，管子自支承。1.1 板式支承结构的发展传统的管壳式换热器采用单弓形折流板支承，由于壳程流体在转折和进出口两端涡流的滞留区易产生传热死区，传热面积无法得到充分利用，并且当流体横向流过管束时，流体在管子后方形成的卡门旋涡产生周期性交变应力，使管子发生流体诱导振动。为了使折流板
5、的性能得到改进，人们又提出了多弓形折流板、整圆形折流板、异形孔折流板、网状板，偏心孔折流板。这些新型折流板支承结构的出现主要是为了使流体由横向流动变为纵向流动，从而尽可能消除死区，使得传热综合性能得到提高，也使得管束的抗振性能得到增强。1.2 杆式支承结构的发展美国菲利浦石油公司于 20 世纪 70 年代，为了改进板式换热器中管子与折流板的切割破坏和流体诱导作用，开发出了壳程流体纵流折流杆式换热器，即在管子中插入圆杆，不仅解决了诱导振动问题，也使传热效率得到了提高。这种壳程流体纵流折流杆式换热器51 与传统的板式换热器相比，具有传热效率高、流体阻力小、有效消除流体诱导振动的优点，且不易结垢、质
6、量轻、使用寿命长、设备投资及操作费用低等优点。因此世界各国对该类型的换热器进行了深入的研究，出现了一种新的抗振结构的直扁钢条;后来又有一些单位把圆杆变成波形扁钢;由于圆杆在安装上比较困难，又有一些单位提出了把圆杆变为椭圆截面的杆。1.3 空心环支承结构的发展空心环支承是由华南理工大学化学工程研究所邓先和等首先研究的。由于流体纵向冲刷管束，因此壳程具有流体阻力小、传热性能好及抗振能力强等特点。研究表明，当支承同样的强化管束(即横纹管束)时，空心环支承结构更能使粗糙管束获得更好的强化效果，在同等壳程条件下给热系数高 50%以上，并且壳程压力更小。空心环支承的绕流作用不如折流杆支承，而且管束固定工艺
7、相对较复杂。2 管壳式换热器管程强化传热目前管壳式换热器的管程强化传热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。管程强化传热技术可归结为两个方面:在传热流路径内设置各种形状的插入物或者改变传热面的形状和在传热面上。其中插入物强化主要用于管内单相流体的传热，传热的机理是, 利用插入物使流体产生径向流动,从而加强流体的混合, 获得较高的对流换热系数。中国石化北京设计院与华南理工大学联合研制的交叉锯齿型插入物, 是华南理工大学对 12 种内插件 (在 Re=3003500 和 Pr=135 范围内 ) 进行比较后优选的型式
8、, 可直接形成流体的混合, 尤其适用高黏度流体的换热, 在上海乙烯厂原油蜡油介质换热器中使用,其总传热系数与光滑管相比提高了 50%。相比设置插入物，改变管壳式换热器的传热面的形状的研究更为普遍，下文将介绍部分改变传热面的异性传热管的发展状况。2.1 螺旋槽纹管换热器的发展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%。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。2.2 横纹管管换热器的发展 横纹管其形状为管壁
9、被挤压成与管子轴线成 90的横纹, 在管壁内形成一圈一圈突出的圆环。1987 年茂名石化公司炼油厂选用了两台 FB800180 40 2型横纹管换热器, 用作原油渣油换热器,运行四年半 年后经工厂标定,在压降相近的情况下,比光管换热器的总传热系数提高 85%, 在相同负荷时, 可节约 40%的面积, 而且基本无结垢和腐蚀现象。2.3 波纹管换热器管的发展波纹管换热管由沈阳市广厦热力设备公司于 20 世纪 90 年代初研制成功,由波纹管和接头两部分组成。其管壁很薄(051mm),波峰波谷高度差达 10 mm,换热管可自由伸缩,流体在复杂截面内不断改变方向和流速,促使紊流增加,边界层减薄和增强相变
10、换热等,从而增大传热系数 K。在水水换热器中,K 可达20003600W(m2)-1,在汽水换热器中 K 可达 30004500 W(m2)-1,对于其它介质其传热效率可提高 24 倍,减少换热面积 40%以上。这种高效换热器还具有不易结垢、单位容积传热面积大、耐腐蚀性强、温差应力小等优点。然而,由于波纹管是由薄壁光滑管加工而成,成型后其应力状态复杂化,管束的强度和刚度都与光滑管有很大差别,致使管束和管板的应力分析困难。2.4 缩放管换热器的发展 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。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%。
11、据报道，我国益阳氮肥厂在变换锅炉软水加热器时，采用缩放管后，换热面积减少了 69%。近几年，开发出一种缩放管整圆槽孔折流棚板换热器，也是一种将强化传热元件与新型壳程折流结构的优化组合，并且在工业应用操作运行中具有一定的强化传热效果。 。2.5 螺旋扁管换热器的发展螺旋扁管是瑞典 Allards 公司推出的高效换热元件,其结构特点是管子换热段任一截面类似于椭圆,其长、短轴之比可根据换热器管程和壳程的流速确定。螺旋扁管换热器可以由混合管束(光管和螺旋扁管混合使用)也可以由纯螺旋扁管组成。流体在壳程与管程大体呈纵向流动,同时伴随有横向螺旋运动这种流速和流向的周期性改变加强了流体的轴向混合和湍流度。同
12、时,流体流经相邻管子的螺旋线接触点后形成脱离管壁的紊流,增加了流体自身的湍流 度,破坏了流体在管壁上的传热边界层,从而强化了传热。据报道4螺旋扁管换热器比普通光管换热器的总传热系数高 40%,而压降几乎相等。2.6 不连续双斜向内肋管换热器管的发展清华大学过增元院士根据场协同理论研发出 2 种多纵向涡新型强化换热元件:不连续双斜向内肋管和交叉缩放椭圆管。不连续双斜内肋换热管是通过轧制等方法在换热管的内壁面形成许多不连续的、与轴线有一定夹角并向 2 个方向倾斜的条状凸起物双斜内肋。管内流体在管壁上多个双斜内肋对的作用下诱导产生多纵向涡流,且涡流主要集中在管壁面附近,从而使对流换热得到强化,并具有
13、良好的抗结垢功能。2.7 变形翅片管换热器的发展为提高翅片管螺旋冷凝蒸发器的效率,必须改变翅片的几何形状,以促进“沸腾缝隙效应”的形成。为此,俄罗斯推出一种变形翅片管螺旋冷凝蒸发器,即将冷压制直翅片管拉成各种直径的定径器(模具),变形后的翅片表面成为半封空腔,汽化过程发生在翅片表面,而不是在翅片间隙中。变形翅片由于翅片间隙出口较逸出汽泡直径小,便能维持正常的汽相,从而省去分离两相所需的能量。采用变形翅片管还可以提高单位管子长度上的热,这样不仅强化了汽化过程也扩展了传热面积。为提高翅片化表面的性能俄罗斯又提出了一种先进方法:气动喷涂法。其实质是采用高速的冷的或稍微加温的含微粒的流体给翅片表面喷镀
14、粉末粒子。该方法不仅可喷涂金属还能喷涂合金和陶瓷(金属陶瓷混合物),从而得到各种不同性能的表面。气动喷涂法不但可用于成型,还可用来将按普通方法制造的翅片固定在换热器管子的表面上,也可用来对普通翅片的底面进行补充加固。3 帘式折流片换热器介绍上文提到，管壳式换热器是目前热力系统中最为常用的换热设备结构形式。管束支撑物是壳程的关键结构，它可使壳程流体产生期望的流动形态，是决定换热器传热和流阻性能的重要因素，不同的壳程流体流动形态使换热器的传热和流动阻力等性能呈现较大差异。传统折流板换热器易产生传热死区，换热面积无法充分利用，因而传热系数小、易结垢、流体阻力大、壳程流体流速较高时易产生流体诱导振动导
15、致破坏，使用场合有一定的局限性。尽管弓形折流板经过多次改进，在此基础上产生了多种管束支撑结构，但其本身固有的缺陷，使其单位体积的传热面积较低，传热系数不高，在追求高效传热的发展趋势下，往往难以满足节能降耗的要求。针对传统弓形换热器存在的问题，国内外高效节能换热器的研究一直十分活跃，主要以螺旋折流板换热器和折流杆换热器最具代表性。螺旋折流板换热器壳程流体流速变化较为平缓，并可有效消除死区和返混现象，但因其制造和安装难度大，故未能得到广泛应用；折流杆换热器实现了壳程流体的纵向流动，表现出更优的传热、低流阻、抗振和抗垢性能，但也有结构不够紧凑和在低 Re工况下传热效果不佳的缺陷。为解决目前管壳式换热
16、器的不足，本文提出采用壳程流体斜向流动的方式达到强化传热和流动减阻目的的新方法，并研究开发了一种具有新型管束支撑结构的高效节能管壳式换热器帘式折流片换热器。基于本文所提出的壳程流体“斜向流”的设计理念，本文研制开发了一种新型管束支撑结构管壳式换热器一帘式折流片换热器，实现了壳程流体的倾斜流动状态。其核心构件为帘式折流栅，采用导向型折流栅支撑换热管束，折流栅由若干片形状特殊的折流片平行放置，并保持折流片中面与管束轴线呈一定夹角后，两端焊接在折流圈上组合而成，加工制造简便，可在专用模具中组合焊接成形。换热管嵌入折流片边缘上的孔槽，折流栅在壳程内沿管长方向等距排列。通过相邻折流栅上的折流片可实现换热
17、管在横向和纵向位置上的完全支撑和定位，根据相邻两折流栅上的折流片不同的旋向，折流栅的装配方式有平行、正交和对称三种类型，装配方式灵活，便于实施换热器操作条件的调节。折流片的作用： 支撑和定位换热管； 相邻折流片间提供倾斜通道，致 1 2使流体受迫产生射流，吸卷和扰动作用强烈，有助于提高主流的湍动程度和平均流速； 突起部位对换热管间的流体提供较强的扰动作用，在其后产生旋涡 3尾流，提高了壳程流体的局部湍流度。斜向流作用效果（见图 2-2） ，实际上是将横向流换热器壳程主流区的横向流动分散为多股受迫倾斜流动，将横向流换热器壳程流动死区予以分散并凭借特殊管束支撑结构特点予以部分消除，通过管束支撑结构
18、的导流作用，避免了流体因受横向阻挡产生的速度剧烈变化和动能损失，同时还有效利用了横向流对换热管更为强烈的冲刷作用引起强化传热效果。其总体上的纵向流动趋势，在一定程度上继承了纵向流换热器抗振性能好、除垢防垢效果强、综合性能优等特点。1. 刘乾, 刘阳子. 管壳式换热器节能技术综述J. 化工设备与管道, 2008, 45(5): 17-202. 吴亚东. 管壳式换热器的研究与进展J. 化工纵横Comments&ReviewsinC.1., 2002, (11): 19-213. 刘明言, 林瑞泰, 李修伦, 黄鸿鼎. 管壳式换热器工艺设计的新挑战J. 化学工程, 2005, 33(1): 17-1
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