管壳式换热器的换热管强化传热技术浅述

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管壳式换热器的换热管强化传热技术浅述

摘要

本文主要介绍了管壳式换热器换热管强化传热技术，分析了各自的原理、优缺点及推荐的使用场合。采用节能技术的换热器不仅提高了能源的利用率,而且减少了金属材料的消耗,对化工行业提高经济效益具有重要意义。

一、换热器强化传热技术的概述

近20年来，石油、化工等过程

工业得到了迅猛发展。各工业部门都

在大力发展大容量、高节能设备，因

此要求提供尺寸小、重量轻、换热能

力大的换热设备。

特别是始于20世纪60年代的世

界能源危机，加速了当代先进换热技

术和节能技术的发展。强化传热已发

展成为第二代传热技术，并已成为

现代热科学中一个十分引人注目图1：管壳式换热器结构图

的、蓬勃发展的研究领域。换热器作为一种实现物料之间热量传递的节能设备,在化工、石油、石油化工、冶金、轻工、食品等行业中就得到了普遍应用。换热设备传热过程的强化主要是使换热设备能在单位时间内、单位面积上传递的热量达到最大化从而实现下述目的：

⑴．减小设计传热面积,以减小换热器的体积和质量⑵．提高现有换热器的换热能力⑶．使换热器能在较低温差下工作⑷．减小换热器的阻力,以减少换热器的动力消耗

二、强化传热的原理

从传热学中我们知道换热器中的传热量可用下式计算，即

Q=kFΔT （1）

式中：

k-传热系数[W/(m2·K)]

F-传热面积[m2]

ΔT-冷热液体的平均温差[K]

从上式可以看出，欲增加传热量Q，可用增加k、F或ΔT来实现。下面我们对此分别加以讨论。

2.1.增加冷热液体的平均温差ΔT

在换热器中冷热液体的流动方式有四种，即顺流、逆流、交叉流、混合流。在冷热流体进出口温度相同时，逆流的平均温差ΔT最大，顺流时ΔT最小，因此为增加传热量应尽可能采用逆流或接近于逆流的布臵。

当然可以用增加冷热流体进出口温度的差别来增加ΔT。比如某一设备采用水冷却时传热量达不到要求，则可采用氟里昂来进行冷却，这时平均温差ΔT就会显著增加。但是在一般的工业设备中，冷热流体的种类和温度的选择常常受到生产工艺过程的限制，不能随意变动；而且这里还存在一个经济性的问题，如许多工业部门经常采用饱和水蒸气作加热工质，当压力为15.86×105Pa时，相应的饱和温度为437K，若为了增加ΔT，采用更高温度的饱和水蒸气，则其饱和压力亦相应提高，此时饱和温度每增高2.5K，相应压力就要上升105Pa。压力增加后换热器设备的壁厚必须增加，从而使设备庞大，笨重，金属消耗量大大增加，虽然可采用矿物油，联苯等作为加热工质，但选择的余地并不大。

综上所述，用增加平均温差ΔT的办法来增加传热只能适用于个别情况。

2.2.扩大换热面积F

扩大换热面积是常用的一种增强换热量的有效方法，如采用小管径。管径越小，耐压越高，而且在金属重量相同的情况下，表面积也越大。采用各种形状的肋片管来增加传热面积其效果就更佳了。这里应特别注意的是肋片（扩展表面）要加在换热系数小的一侧，否则会达不到增强传热的效果。

一些新型的紧凑式换热器，如板式和板翅式换热器，同管壳式换热器相比，在单位体积内可布臵的换热面积多得多。如管壳式换热器在1m3体积内仅能布臵

换热面积150m2左右。而在板式换热器中则可达1500 m2，板翅式换热器中更可达5000 m2，因此在后两种换热器中其传热量要大得多。这就是它们在制冷、石油、化工、航天等部门得以广泛应用的原因。当然紧凑式的板式结构对高温、高压工况就不宜应用。

对于高温、高压工况一般都采用简单的扩展表面，如普通肋片管、销钉管、鳍片管，虽然它们扩展的程度不如板式结构高，但效果仍然是显著的。

采用扩展表面后，如果几何参数选择合适还可同时提高换热器的传热系数，这样增强传热的效果就更好了。值得注意的是，采用扩展面常会使流动阻力增加，金属消耗增加，因此在应用时应进行技术经济比较。

2.3.提高传热系数k

提高传热系数k是强化传热的最重要的的途径，且在换热面积和平均温差给定时，是增加换热量的唯一途径。当管壁较薄时从传热学中我们知道，传热系数k可用下式计算：

k 1

1 2 （2）

式中，α1—热液体和管壁之间的对流换热系数，α2—冷流体和管壁之间的对流换热系数，δ—管壁的厚度，λ—管壁的导热系数。

一般讲金属壁很薄，导热系数很大，δ/λ可以忽略。因此传热系数k可以近似写成：k=α1α2/（α1+α2）。由此可知欲增加k，就必须增加α1和α2，但当α1和α2相差较大时，增加它们之中较小的一个最有效。

要想增加对流换热系数，就需根据对流换热的特点，采用不同的强化方法。我国学者过增元院士在研究对流换热强化时，提出了著名的场协同理论。该理论指出要获得高的对流换热系数的主要途径有：1）提高流体速度场和温度场的均匀性；2）改变速度矢量和热流矢量的夹角，使两矢量的方向尽量一致。

换热管的强化可以对管壁进行各种细微的加工，使管壁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，从而增大通道近

壁处边界层内流体的脉动和紊流热扩散率、增强流体的混合、减薄边界层尤其是粘性底层的厚度。

三、换热管的强化传热措施

目前，管壳式换热器的强化传热主要采用管程强化传热和管壳式传化强热技术两种手段，本文主要讨论管壳强化传热技术。然而，换热管的强化传热是管壳式传热强化技术中重要的一种技术手段，它是对光管进行加工得到各种结构的异形管，措施主要有改变传热面的形状和在传热面上或传热流路径内设臵各种形状的插入物。改变传热面的形状有多种，其中用于强化管程传热的有：波纹管、螺纹管、螺旋槽管、横槽纹管、翅片管、针翅管、多孔表管等。另外，也可采用扰流元件，在管内装入麻花铁，螺旋圈或金属丝片等填加物，亦可增强湍动，且有破坏层流底层的作用。

3.1.波纹管传热技术

波纹管是以普通光滑换热

管为基管，采用无切削滚扎工艺

使管内外表面金属塑性变形而

成，双侧带有波纹的管型。

图2：波谷形波纹管横截面图

波纹管管内被挤出凸肋，从

而改变了管内壁滞流层的流动状态使流体在波峰处流速低，静压增大，波谷处则反之，以致流体产生了剧烈的漩涡，减薄了边界层，使得流体的流动特性不如光管的好，从而增强了传热效果。波纹管适用于要有对流、冷凝强化效果的工况。它可以使总传热系数提高2~3倍。其中波形分类有：波谷形（如图2所示）、波节形、梯形、缩放形等。

3.2.螺纹管传热技术

螺纹管（图3）是使光管由以扩展表面强化传热的螺纹管所代替。螺纹管又称低肋管，主要是靠关外肋化扩大传热，它比光管外表面积增加2. 5倍以上。一般用于管内传热系数比管外传热系数大1倍以上的场合，以及无相变传热,重油系统传热。它能使总传热系数提高2~4倍。

图3：螺纹管横截面

3.3.螺旋槽纹管传热技术

螺旋槽纹管管壁是由光管挤压

而成。管外表面压出螺旋形的凹槽,

管内则形成螺旋形的凸起, 使流体产

生周期性的扰动

,可以加快由壁面至

流体主体的热量传递。其管内传热强化

主要：一是螺旋槽近壁处流动的限制作

用，使管内流体做整体螺旋运动来产生局部二次流动；二是螺旋槽所导致的形体阻力，产生逆向压力梯度使边界层分离。螺旋槽纹管具有双面强化传热的作用，适用于对流、沸腾和冷凝等工况，抗污垢性能高于光管，传热性能较光管提高2~4倍。其横截面图见图4。