强化型管壳式交换器的研究现状及发展

摘要：换热器是当前工业中最常见的一种设备，是将热流部分热量传递给冷流气体的主要设备。在当前社会科学技术不断发展的过程中，各个工业生产的过程中对设备的要求在不断的增加之中。管壳式换热器是科学技术发展过程中的产物，是当前先进技术的结晶，被广泛应用于化工、石油、制冷、核能和动力等工业。由于世界性的能源危机，为了降低能耗，工业生产中对换热器的需求量越来越多，对换热器的质量要求也越来越高。

关键词：强化型；管壳式；交换器；研究现状；发展

所谓换热器传热过程的强化就是力求使换热器在单位时间内，单位传热面积传递的热量尽可能增多。管壳式换热器是通过有壳体和管束等多种组建组成的换人气，是换热过程中有两种气流在管道流动进行能量交换的过程。各种异形强化管的结构不同，但其强化传热机理大同小异，都是通过对管进行各种细微的加工，以期在管子壁面上形成有规律或无规律分布的凸起物，或将管壁本身沿轴向制成波纹状或螺旋凹肋等等，这些传热面上的各种形状的凸起物，既是无源扰动的促进体，又起断续地阻断边界层发展的作用。

1.高效能管壳式热交换器的研究现状

高效能管壳式换热器的研究主要集中在强化管程和壳程两方面，现就有关强化技术分述如下。

1.1强化管程传热的研究

1)螺旋槽纹管换热器螺旋槽纹管即螺纹管，用于强化管内气体或液体的传热，强化管内液体的沸腾或管外蒸气的冷凝。其强化机理为，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，有利于减薄边界层厚度；还有一部分流体顺壁面轴向流动，通过螺旋槽纹凸起处便产生轴向旋涡，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。螺纹槽管是将光滑管在车床上轧制而成。

2)横纹管换热器当流体经过横纹管的圆环时在管壁上形成轴向旋涡，增加了流体边界层的扰动，有利于热量通过边界层的传递。当旋涡将要消失时流体又经过第2个圆环，从而能保持轴向旋涡不断地生成。

3)缩放管换热器［缩放管是由依次交替的收缩段和扩张段组成的波形管道。在扩张段中流体速度降低静压增加；在收缩段中流体速度增加，静压减小。在扩张段中由于流体质点速度变化产生剧列的旋涡并在收缩段中得到有效利用，而且冲刷流体边界层，使其减薄。在相同流体阻力下，有比光管更好的传热性能。缩放管可强化管内外单相流体的传热，在同等流阻损失下，传热量比光管增加70%。该管可用于多种类型换热器，如空气预热器、油冷却器、冷凝器、废热锅炉等。

4)波纹管换热器超薄壁(δ＝0．5mm)不锈钢换热器，由于波纹管壁很薄，波峰波谷高度差达10 mm，换热管可自由伸缩，流体在复杂截面流动下不断改变方向和流速，促使紊流增加或湍流产生，以使边界层减薄和增强相变换热等。

5)管内插入物形换热器 用插入物强化管内单相流体传热，尤其是对强化气体、低雷诺数流体或高粘度流体的传热更为有效。各种插入强化机理不同，但都主要以改变流道达到强化传热目的。目前管内插入物很多，如螺旋线、扭带、错开扭带、螺旋片和静态混合器等。6)旋流管换热器 旋流管式热交换器是由高效旋流传热管、环形-蛙式-倒蛙式盘形折流板、管板和壳体等组成。其强化机理为靠近壁面的流体在螺旋糟纹的引导下，产生附加的旋转流动，使热阻减小，传热得到增强。

1.2强化壳程传热的研究

传统的管壳式换热器，流体在壳侧流动存在着转折和进出口两端涡流的影响区，影响了壳程的传热系数。为改善壳程的流动状态，从以下方面进行研究：

1)折流杆换热器 折流杆式换热器是一种以折流栅代替折流板的换热器，它由排布的支撑杆形成一系列的壳程折流，每副单一的折流栅的主要构件包括支撑杆、折流环交叉支撑拉杆、分隔板和纵向滑动杆。支撑杆杆端均焊接在圆环折流环上，采用4种不同布置方式的折流栅构成折流栅组。其特点是抗振能力强，消除了壳程滞留区，改善了壳程流体的速度和温度分布。

2)强化沸腾传换的高效沸腾传热管 在沸腾强化传热研究中除20世纪70年代开发的表面高温烧结多孔管，电化学方法成型的管内多孔管外，目前国内外使用较多的是机加工成型的表面多孔管。多孔管的热流密度比低肋管高36%，可节约传热面积26%。高效沸腾传热管除用于制冷剂的蒸发外，还可用于轻烃的分离、地热发电、海水温差发电、废热余热的动力回收以及水溶液的蒸发等低温差沸腾传热过程中。

3)强化冷凝传热的锯齿形翅片管锯齿形翅片管是近几年来发展起来的新型冷凝传热管。锯齿管与螺纹管相比，翅片距更密，其翅片外缘开有锯齿缺口，因而有更大的面积，其传热面比螺旋管更大。又由于齿片顶部呈错开锯齿状，使冷凝液的流动呈现扰动状态，因而促进了冷凝液膜的对流传热，锯齿管的管外冷凝给热系数是光管的6倍，是低肋管的1.5～2倍。

4)采用纵流管束换热器整圆形折流板换热器，其结构为折流板上开横排管孔，以4个孔为一组将管桥处铣通，壳侧流体在管桥处沿着轴向流动，避免了流体因转折引起的滞留区。该公司用不同粘度的甘油和水混合物进行实验，结果表明在中低粘度范围内纵流管束换热器传热效果明显优于传统的圆缺形折流板换热器。

5)空心环管壳式换热器空心环管壳式换热器以强化管作为换热管，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，其壳程管隙间流体的大部分压降可作用在强化管的粗糙传热面上，用以促进近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。

2.强化型管壳式换热器发展方向

1)理论研究方面由上述分析可知，强化传热技术的研究对发展国民经济有着十分重要的意义，促使世界各国科技工作者对强化传热技术进行极为广泛的研究和探讨。由于在强化传热管中流体的对流传热机理比较复杂，流体在粗糙传热面上的流动和传热规律尚不太清楚，因此目前有关强化传热管的流体阻力系数和传热准则方程都仍停留在经验或半经验的关联式水平上，不能满足工程设计要求。

2)换热器的偏流方向强化型换热器的设计、均一分布的流体模型和壳体侧的流动分析是基于比较简单的流体模型，可以说在理想的流体条件前提下计算的。虽然实际的换热器自身结构不复杂，但流动状态极其复杂，因此在这种情况下不偏流是不可能的。

3)强化型热交换器的其他方面此外还有强化管束的振动问题、腐蚀问题、污垢热阻问题、清洗等方面。

3.结束语

在社会科学飞速发展的今天，工业发展已成为人们关注的重点，强化型管壳式换热器是高新技术发展的产物，是为工业生产提供方便的主要设备。在换热器强化传热理论研究及新技术新产品开发方面已进入高层次的探索阶段，随着信息技术和智能化技术在工业制造中的逐步应用。新型壳程折流的结构也应随之不断变化。对各种新的高效传热元件研究的同时，应花大力气推广各种高效传热技术，努力赶上发达国家的应用水平。