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1、第4 5卷第 5期 2 0 0 8年 1 O月 化工设备与管道 P R O C E S S E Q U I P ME N T& P I P I N G Vo 1 45 No 5 0c t 20 0 8 单 元 设 备 管壳式换热器节 能技术综述 刘乾 刘 阳子 ( 中国天辰工程公司 ，天津3 0 0 4 0 0 ) 摘要 ： 采 用节能技 术的高效换 热器不仅提 高 了能源利用率 ， 且减少 了金属材料的消耗 ， 对推进 石油化工行业的节 能减排工作有着积极意义。简要介绍了管壳式换热器换热管强化传热技术和壳程强化传热技术， 分析了各 自的原 理 、 优缺点及推荐使用场合 。 关键词 ：换热器
2、； 节能减排 ； 强化传热 中图分 类号 ： T Q 0 5 1 5 文献标识码 ： A 文章编号 ：1 0 0 9 3 2 8 1 ( 2 0 0 8 ) 0 5 0 0 1 6 0 5 Re v i e w o f Ene r g y S a v i ng Te c h no l o g y f o r Tu bu l a r He a t Ex c ha n g e r L I U Qi a n， L I U Y a n g - z i ( C h i n a T i a n C h e n E n g i n e e r i n g C o ，T i a n fi n 3 0 0 4
3、0 0 ， C h i n a ) Ab s t r a c t ： W i t h t h e e n e r g y s a v i n g t e c h n i q u e ，t h e a p p l i c a t i o n o f h i g h e ffic i e n c y h e a t e x c h a n g e r c a n n o t o n l y e n h a n c e t h e e n e r g y u s i n g r a t e，b u t a l s o d e c r e a s e t h e c o n s u mp t i o
4、n o f ma t e r i a l ，t h u s ，wh i c h h a s s i g n i f i c a n t me a n i n g i n w o r k o f e x t e n d i n g e n e r g y s a v i n g a n d d i s c h a r g e d e c r e a s i n g I n t hi s a r t i c l e，t h e i n t e ns i fie d h e a t t r a n s f e r t e c h ni qu e s u s e d i n t u b e s i d
5、 e a n d s h e l l s i d e we r e br i e fly i n t r o du c e dAt t h e s a me t i me，t h e prin c i p l e s，a d va nt a g e s，d i s a d v a n t a g es a n d a p pl i c a bl e s i t u a t i o n s f o r t he s e t e c hn i q u e s we r e a l s o a na l y z e d Ke y wo r ds：h e a t e x c ha n g e r ；e
6、 x t e nd i ng e n e r g y s a v i ng a n d d i s c h a r g e d e c r e a s i n g；i n t e n s i fie d he a t t r a ns f e r 目前在我国石油化工行业 中， 换热设备 投资 占 设备投资的 3 0以上， 在换热设备 中， 使用 量最大 的是管壳式换热器 ， 其 中8 0以上的管壳式换热器 仍采用弓形折流板光管结构 ， 这种结构决定 了换热 器传热效果差 ， 壳程压降大 ， 与我国正在推行的节能 减排政策不相适应。因此提高换热器 的效能对化工 行业节能减排 、 提高效益非常重要
7、。 换热设备传热过程的强化就是力求使换热设备 在单位时间内、 单位传热面积传递 的热量尽 可能增 多。应用强化传热技术的目的是为了进一步提高换 热设备的效率 ， 减少能量传递过程中的损失 ， 更合理 更有效地利用能源 。提高传热系数 、 扩大单位传热 面积 、 增大传热温差是强化传热 的三种途径， 其 中提 高传热系数是当今强化传热的重点。 1 换热管强化传热技术 管程的强化传热通常是对光管进行加工得到各 种结构 的异形管 ， 如螺旋槽纹管 、 横槽纹管 、 波纹管 、 低螺纹翅 片管( 螺纹管) 、 螺旋扁管 、 多孔表面管 、 针 翅管等 ， 通过这些异形管进行传热强化。 1 1 螺旋槽纹
8、管 。 刮 螺旋槽纹管管壁是 由光管挤 压而成 ， 如图 1 所 示 ， 有单头和多头之分 ， 其管内强化传热主要 由两种 流动方式决定 ： 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产生 的局部二次流动； 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 。 图 1 螺旋槽纹管 1 2 横槽纹管 剖 横槽纹管如图 2所示 ， 其强化机理为： 当管内流 体流经横向环肋时 ， 管壁附近形成轴向漩涡 ， 增加 了 边界层的扰动 ，
9、 使边 界层分离 ， 有利 于热量 的传递。 当漩涡将要消失时流体又经过下一个横 向环肋 ， 因 此不断产生涡流， 保持 了稳定 的强化传热作用。研 究和实际应用证 明： 横槽纹管与单头螺旋槽纹管 比 较 ， 在相 同流速下 ， 流体阻力要大一些 ， 传热性能好 些 ， 其应用场合与螺旋槽纹管相同。 收稿 日期 ： 2 0 0 8 4)6 2 6 ；修 回日期 ： 2 0 0 8 4 ) 7 - 0 4 作者简介 ： 刘乾( 1 9 7 8 一 ) ， 男 ， 山东济南人 ， 助理工程 师， 硕士 。主要 从事强化传热方面的研究。 维普资讯 http:/ 刘乾 ， 等 管壳式换 热器节能技术综
10、述 1 7 L L l _ - y， _ 图 2横槽纹管 1 3 波纹管 引 对波纹管按流体力学观点分析 ： 在波峰处流体 速度降低 ， 静压增加 ， 在波谷处流速增加 ， 静压降低 。 流体的流动在反复改变轴向压力梯度下进行 ， 产生 了剧烈的漩涡 ， 冲刷流体的边界层 ， 使边界层减薄。 因此用波纹管做换热管从理论上讲 ： 由于波节的存 在 ， 增加了对管 内流体流动的扰动 ， 使波纹管具有较 好的传热效果， 但流动特性不如光管的好。在低雷诺 数下 ， 波纹管的换热与阻力性能比明显好于光管； 在 高雷诺数下， 波纹管与光管的换热与阻力性能比非常 接近。波纹管的波形大致可分为以下几类 ： 波
11、鼓形 、 梯形 、 缩放形和波节形 ， 详细结构分别见图 3 6 。 图 3 波鼓形 波纹管 7 ， ， 7 _ ： r7_ 7 一， 图 4 梯形 波纹管 Q ， 、 厂 图 5缩放管 图 6 波节管 1 4翅片管 翅片管是一种外壁带肋 的管子 ， 肋 的截面形状 有矩形 、 锯齿形 、 三角形 、 T型 、 E型 、 花瓣型等等 ， 这 种管子有助于扩大传热面积 ， 促进流体 的湍流 ， 一般 用于以壳程热阻为主的情况。当壳程热阻为管程 2 倍 以上时 ， 使用翅 片管是合适 的。但不能用来处理 容易结焦的介质 ， 其 中低螺纹翅片管 ( 图 7) 和变形 翅片管( 图 8 ) 的翅化率一
12、般小 于 3 ， 用 于管 内介质 给热系数比管外介质给热系数大于 2倍 以上的情况 时可以提高传热系数 3 0左右。 。 L| f - 7 | l l 图7 低螺纹翅片管 = = = = = = 产 图 8变形翅 片管 1 5螺旋扁管 。 螺旋扁管( 图 9 ) 的独特结构使流体在管 内处于 螺旋流动 ， 促进湍流程度。实验研究表明： 螺旋扁管 管内膜传热系数通常 比普通 圆管大幅度提高 ， 在低 雷诺数时最为明显 ， 达 2 3倍 ； 随着雷诺数的增大 ， 通常也可提高传热系数 5 0以上。 图 9螺旋扁管 1 6 表面多孔管。 “ 在普通金属管表面敷上一层 多孔性金属层 ， 形 成表面多
13、孔管。表面多孔管能显著地强化沸腾给热 过程 ， 但其表面的多孔状局 限了其只能应用于无垢 或轻垢的场合 。制造表面多孔层的方法 主要有 ： 烧 结法 、 火焰喷涂法 、 电镀法及机械加工法等 。目前已 投入规模生产的为烧结法和机械加工法。 1 7 针翅管 盹 针翅管( 图 1 0 ) 既扩大了传热面 ， 又可造成流体 的强烈扰动 ， 极大地强化传热 ， 而且压降不大 ， 并可 籍针翅互相支撑而取消折流支撑板 ( 杆 ) ， 大大节省 维普资讯 http:/ 1 8 化工设备与管道 第 4 5卷第 5 期 支撑板材料， 可代替光管和螺纹管作为油品换热器 的换热管 ， 也是低传热膜系数 、 高粘度
14、介质和含尘高 温烟气的理想传热管 ， 可用 于油品等纵向流管束换 热和烟气锅炉或余热回收中。 图 1 0针翅 管 1 8 管内插入件 管内插入件是强化管内单相流体传热的行之有 效的方法之一。目前管 内插人件的种类很 多， 有纽 带 、 螺旋线圈、 螺旋片、 静态混合器等。管 内加麻花片 纽带使管内换热系数 比光管增加了 5 6 9 5 ， 摩 擦系数增加了 7 O 一 4 0 0。因内插物是为了降低 管内流体 由层流转变到湍流时的临界雷诺数， 一般说， 它们在低雷诺数下强化传热的效果比 湍流区更佳。 目前强化传热管已广泛地应用于石油 、 化工 、 制 冷 、 航空、 车辆 、 动力机械等工业部
15、 门， 在利用地热 、 海洋热能、 太 阳能以及余热等低温差能源中， 强化传 热管将更有应用价值。强化传热管提高了换热器 的 传热性能， 并减小 了换热器所需 的传热温差 和压 降 损失 ， 有巨大 的经济效益。 2壳程强化传热技术 在管壳式换热器中 ， 管束支撑结构的主要作用 是 ： 支撑管束 ， 使壳程流体产生期望的流型和流速 ， 阻止管子因流体诱导振动而发生失效。因此 ， 管束 支撑结构是壳程 内的关键部件 ， 直接影响着换热器 壳程的流体流动和传热性能。管束支撑结构经过多 年的研究 、 应用和发展 ， 概括起来有 3种类型 ： ( 1 )横流式支撑 ， 如传统的弓形折流板 ， 使壳程
16、流体呈横向流动 ； ( 2 )纵流式支撑 ， 如折流杆式等新型支撑 ， 使壳 程流体呈纵 向流动 ； ( 3 )螺旋流式支撑 ， 如螺旋折流板 ， 使壳程流体 呈螺旋流动 ， 分别见 图 1 11 3 。 图 1 1 弓形折流板换热器 图 1 2折流杆换热器 图 1 3螺 旋 折 流 板 换 热 器 2 1 折流杆换热器 传统 的管壳式换热器壳程流体横 向冲刷管束 ， 传热效率较低 ， 流动阻力大 ， 常发生流体诱导振动而 导致破坏 。为解决换热管束的振动问题 ， 美 国菲利 浦石油公司在 2 0世纪 7 0年代开发 了折流杆式换热 器 ( 图 1 4 ) ， 该换热器不仅解决 了振动 问题
17、， 而且 由 于壳侧流体 的纵向流动使折流杆换热器比传统的弓 形折流板换热器传热系数提高 3 0左右 ， 壳程压降 减 少 5 0 图 1 4 杆 式支承壳程纵流换热器 结构 维普资讯 http:/ 2 0 0 8年 l 0月 刘乾， 等 管壳式换热器节能技术综述 1 9 2 2整圆形折流板换热器 。 由于流体在壳程 中作纵向流动是管壳式换热器 中最理想 的流动形式 ， 因此近年来又开发出了一些 新型纵流式换热器 ， 图 1 5中列举 了几种常见 的整圆 形折流板 ， 如矩形孑 L 折流板 ， 梅花孔折流板等。这种 异型折流板性能特点是 ： ( 1 )能有效地支撑管束 ， 从 而避免管束发生流
18、 体诱导振动( “ 大管孔” 式除外 ) ； ( 2 )孔板截面积小于壳程流通面积 ， 因而可 以 调节壳程流体速度 ； ( 3 )各种形式 的孔对流体具有 “ 射流作用 ” ， 射 流流体速度高且直接 冲刷管外壁 ， 因而能增加流体 湍流度 ， 减薄管壁液体的边界层 ， 因而有效强化了壳 程传热 ， 适用于 中、 低粘度 流体且雷诺 数不太 大的 场合 簿 a “ 大管孔 ”板 b “ 小管孔”板 c矩 形孔板d梅花 孔板 图 1 5几种整 圆形折流板 2 3螺旋折流板换热器 2 5 2 7 螺旋折流板换热器可分为单螺旋折流板换热器 和双螺旋折流板换热器 。螺旋折流板换热器与常规 折流板相互
19、平行布置方式不 同， 它 的折流板相互形 成一种螺旋形结构 ， 每个折流板与壳程流体的流动 方向成一定的角度 ， 使壳程流体做螺旋运动 ， 能减少 管板与壳体之间易结垢 的死角 ， 从而提高了换热效 率。螺旋流换热器的强化传热机理为螺旋通道内的 流型减弱 了边界层 的形成 ， 从而使传 热系数有较大 增加 。相对于弓形折流板 ， 螺旋折 流板 消除了弓形 折流板的返混现象 ， 从而提高有效传热温差 ， 防止流 动诱导振动 ； 在相 同流速时 ， 壳程流动压 降小 ； 基本 不存在流动与传热死区， 不易结垢， 适宜于处理含固 体颗粒 、 粉尘 、 泥沙等流体。对于低雷诺数下 ( R e 1 0
20、0 0 ) 的传热 ， 螺旋折流板效果更 为突出。在螺旋 折流板换热器中 ， 螺旋角 ( 即壳侧介质流动方向与 管束横截面之间的夹角 ) 将直接影响壳侧 流体 的流 动及传热性能。 2 4空心环管壳式换热器 驯 空心环管壳式换热器 ( 图 1 6 ) 用空心环管作支 撑结构 ， 该支撑方式轴 向流道空隙率可高达 8 0 ， 故对轴向冲刷的流体形体阻力非常小 ， 可使绝大部 分壳程流体的压降作用在强化传热管 的粗糙传热界 面上 ， 用 以促进界面上的对流传热 ， 充分发挥管外的 传热强化作用 ， 在低流阻条件下获得高的传热性能。 图 1 6空心环支承 结构 2 5刺孔膜片管换热器 刺孔膜片管换热
21、器 的特点为刺孑 L 膜片既是支撑 元件 ， 又是管壁的延伸 ， 增大了单位体积 内的有效传 热面积 ； 膜片上的毛刺和小孔增大了流体湍流度 ， 各 区间的流体经小孔实现一定程度 的混合 ； 刺 和孑 L 使 换热表面的边界层不断更新 ， 减薄了层流底层厚度 ， 从而提高了换 热系数 ； 壳程 流体纵 向流动 ， 压 力降 很小 。 2 6螺旋椭圆扁管换热器 螺旋椭圆扁管是一种双面强化管 ， 由圆管轧制 或由椭圆管扭 曲而成 ， 靠相邻管 突出处 的点接触支 撑管子。流体在管螺旋面的作用下呈螺旋 运动， 流 速和流向发生周期性变化 ， 加强 了流体的轴 向混合 和湍动程度 ， 同时强化管 内、
22、 外传热 ； 壳程流体流经 相邻管子 的螺旋线接触点后形成脱离管壁 的尾流 ， 增大了流体 自身的湍流度 ， 破坏 了管壁上的流体边 界层 ， 从而使壳程传热得 到增强 。螺旋椭 圆扁 管主 要用于强化高粘度流体的层 流换 热， 管内流体旋转 导致的二次流是使换热得 以强化的主要原因。 2 7变截面管换热器 变截面管是将普通 圆管用机械方法相隔一定节 距并互成一定角度轧制出扁管形状 的管子。变截面 管靠变径部分的点接触互相支撑 ， 同时又组成壳程 的扰流元件 。其结构比较简单 ， 且是双面强化管， 但 最大弱点是管内阻力太大。 维普资讯 http:/ 2 0 化工设备与管道 第 4 5卷第5期
23、 3 结束语 强化传热对石油化工行业节能有着重大意义。 采用各种节能技术的高效换热器不仅能够提高能源 效率 ， 而且结构紧凑 ， 可减少金属材料消耗。高效换 热器作为一种节能设备得到政府 的高度重视 ， 应将 换热器的节能技术与企业的应用 紧密结合起来 ， 使 各种形式的高效换热器得到大面积 的推广 ， 把石油 化工行业的节能减排工作落到实处 。 2 3 4 5 6 7 8 9 1 O 1 2 1 3 参 考 文 献 程俊 国， 冯骏 ， 靳明聪 ， 等螺旋管的传热及流阻性 能 J 重 庆大学学报 ，1 9 8 0， 8( 3 ) ：8 1 9 4 李 向明， 叶国兴 ， 邓颂九高效换热元件一
24、螺旋槽管的研究及 应用 J 化工学报 ，1 9 8 2 ， 3 3( 4 )： 3 5 9 3 6 7 邓先 和， 谭盈科 ， 邓颂九多头与单头螺旋槽管传热准数方程 关联法 J 化工学报 ，l 9 8 9 ( 1 )： l 8 2 7 帅志 明， 冯海仙 ， 李学泰螺旋槽管结 垢实验研 究 J 中国 电机工程学报 ，1 9 9 3 ，1 4 ( 2 ) ： 7 一 l 2 刘湘秋横纹管与新型支承型式 在换热 器巾 的应用 J 化 工设备与管道 ，1 9 9 6 ， 3 3 ( 4 ) ： 5 7 5 9 刘 吉普横 纹槽换 热管力 学性 能试验研 究 J 化 工机 械 ， 1 9 9 8 ，2
25、 5 ( 3)：7 0 2 7 21 张亚君 ， 李军 ， 邓先和 ， 等几种强化传热管的流阻和传热性 能 J 石油化工设备 ， 2 0 0 4 ， 3 3 ( 5 ) ： 5 -7 徐志 明，杨善让 ， 甘 云华横纹管污垢性 能 的实验研究 J 中国电机工程学报 ， 2 0 0 5 ( 5 ) 郎逵 波节型换热元件的实验研究 J 东北 大学学报 ( 自然 科学版 ) ，1 9 9 5 ，1 6 ( 4 ) ： 4 3 8 44 1 高阳波节管换热器 的强化换 热分析 J 北 京节能 ，2 0 0 0 ( 3 ) ：1 8 1 9 张登庆 ， 李忠堂， 王宗 明， 等波节 管管 内换 热 与阻
26、力特 性的 实验研究 J 石油机械 ， 2 0 0 2 ( 4) 4 7 齐世明 ， 齐世清波节管 换热器 的 白支撑结 构 J 压 力容 器 ， 2 0 0 4， 2 1 ( 3 ) ：5 0 5 1 王玉 ， 于斐翅片管及 其在管壳 式换热器 的使用 J 管道 技术与设 备 ， 2 0 0 0 ( 3 ) ： 2 2 2 4 思勤 ， 夏清 ，梁龙虎螺旋扁管换热器传 热与阻力性能 J 化 工学报 ， 1 9 9 5， 4 6( 5 ) ： 6 0 1 - 6 0 6 梁龙虎螺旋扁管换热器 的性 能及工业 应用研 究 J ， 炼油 设 计 ， 2 0 0 1 ， 3 1 ( 8 ) ： 2
27、8 - 3 3 刘建新 ， 金海 波多 孔表面 管沸腾传热 试验研 究 J 动力 工程 ，1 9 9 9 ，1 9 ( 1 ) ： 3 0 3 3 刘阿龙 ， 徐宏 换热 器烧结 型表面多孔 管综述 J 石油化 工设备 ， 2 0 0 5， 3 4 ( 1 ) ： 4 7 4 9 钱颂文 ， 马小明 ， 方江敏 ， 等三维整体针翅强化传热 管的传 热和压降 性 能研 究 与 比较 J 化 工学 报 ，2 0 0 2 ，5 3( 7 ) ： 7 0 0 7 【 ) 4 杨丽明 ， 钱颂 文针 翅管 的强化 传热试 验研究 J 流体机 械2 0 0 2， 3 0 ( 9) ：l 0 - 1 2 秦
28、勇 ， 张雪冲 ， 孙鸿久针翅管强化传热机理及其在管壳式换 热器 中的应用 J 机 电设备 ， 2 0 0 1 ( 5 )： 3 6 3 9 姚寿广 ， 屠传经 ， 朱德书管 内强化换热元件综合热力性能分 析及评价 J 动力工程 ， 2 0 0 2 ， 2 2 ( 3 ) ： 1 7 9 8 - 1 8 0 3 胡明辅 ， 朱孝 钦 ， 吴新 民等折 流杆换 热器抗振 性 能的分 析 J 化工机械 ， 2 0 0 0 ， 2 7 ( 2 ) ： 8 O 一 8 3 陆应生整圆槽孔折 流栅板 和缩放管在 中氮肥氮氢气压缩机 级间冷却器 中的应用 J 化肥工业 ， 2 0 0 1 ， 2 8 (
29、1 ) ： 2 9 - 3 0 曾舟华 ， 钱颂文低传 热“ 死 区” 异形 孔板纵 向流 管壳 式换热 器传热研究 J 化工设备设计 ，1 9 9 7， 3 4( 2 )： 1 5 - 1 7 王树立 ，彭 杰 ，赵 志勇螺旋 折 流板换 热 器流 动特性 研究 c 中国工程 热 物 理学 会 传热 传 质 学术 论 文集 ，济 南 ， 2 0 0 0 杨军 ， 陈保东 ， 孙成家螺旋 与弓形折流板换热器性能对 比及 螺旋角优化 J 辽宁石油化工大学学报 ， 2 0 0 5 ， 2 5 ( 2 ) 王秋 旺螺旋折 流板管 壳式 换热器 壳程传 热强 化研究 进展 J 西 安交通大学学报 ，
30、2 0 0 4， 3 8 ( 9 ) ： 8 8 1 - 8 8 6 邓先 和， 陈详 明空心环管壳式换热 器工业化应用 回顾 J 硫酸工业 ， 2 0 0 0 ( 6 ) ： 2 3 - 2 5 周理 ， 安福 ， 徐越平刺孔 膜片式 高效管壳换热器 的壳方特性 研究 J 化工学报 ，1 9 9 2 ， 4 3 ( 5 )： 5 9 9 -6 0 8 黄德 斌 ， 邓 先 和， 王扬 君 ， 等螺 旋椭 圆扁 管强 化 传热 研究 J 石油化 工设 备 ， 2 0 0 3， 3 2 ( 3 )： 1 3 材料保护 对读者如是说 我是一本 1 9 6 0年出生的老牌杂志， 走过了近 5 0年的
31、辉 煌历程。过去、 现在和未来 ， 我一贯履行： 1 专业 齐全 。每期含有金属非金属镀覆 ( 电镀 、 化 学镀 、 转化膜 ) ； 腐 蚀与防护 ( 理论与实 际) ； 涂料 与涂装 ( 研 究与施 工 ) ； 热喷涂 技术 ( 成套工程 ) 。其范 围涉及 到材料表 面处理 所有专业 。 报道的内容有一定的深度和广度 ， 适用于各类读者。读 者可以从我这里获得基础理论知识 和实用技能 。 2 读者致上。向读者提供全方位的信息： 从行业发展动向、 科研成果， 到实际应用、 施工技术以及行业活动( 会议、 招聘) 。 我的目标是： 让读者掌握有效的信息； 免费提供一切 咨询。 3 作者有用。发表的文章经济效益和社会效益是最好 的 ， 理 由有二 ： ( 1 ) 我是 中国核心 期刊 ， 发表 的文 章被 国内外 众 多期刊所 收 录； ( 2 ) 我 能将 各 位作 者 的成 果 推 向全 国各 企 业 。 2 0 0 9年我还是大家的好朋友。邮局订阅代号是 ： 3 8 3 0 。如果愿意， 可以直接至函编辑部订阅。 地址： 武汉市宝丰二路 1 2 6号 邮政编码： 4 3 0 0 3 0 联系人 ： 王宇 I I I i 1 j “ 加 勰 凹 r： f r r f 维普资讯 http:/