管壳式换热器传热强化及技术进展

Ａｌ置嚣　ｊ矗　Ｓｅｌ～ＴＥＣＨ磁啊匪　圜　■■Ｉ■●●■●■＿　Ｙ文章编号：１００６—４８７７（２００６）０３—００８９—０３　管壳式换热器传热强化及技术进展　方运惠　，童军杰　摘要：从传热过程出发，分析了传热强化的主要途径，从传　可能考虑从结构上采用逆流和接近逆流的流向以得　热强化的机理出发，介绍了近年来强化管壳式换热器换热技　术的进展及相关实用情况。　到较大的△ｔ　值。　１．３增大传热系数　关键词：管壳式换热器；传热强化；技术进展　中图分类号：ＴＥ９６５　文献标识码：Ａ　传热过程中。各热阻与总传热系数关系如下【２】：　Ｒ＝　１＝随着现代工业的快速发展，对能源的需求越来　越大．而利用高效换热器可以吸收化工、石油生产　过程中存在的大量余热，既节约了能源，又减少了　污染。与板式、板翅式换热器相比，管壳式换热器　Ａ　——等枷　箸＋（古蛔。）＋　Ｒ　（２）　总传热系数．Ｗ／ｍ２ｋ　管外的面积，ｍ２；　・　式中：Ｒ——总传热热阻．ｍｚｋ厂ｗ；　由于其适用性广、坚固耐用、密封性较好以及其结　构简单、清洗方便是石油、化工等领域应用最普遍　的一种换热器（占整个换热器设备的７０％以上）。　因此．如何最大限度地利用热能和回收热能，强化　ｈ　——管内的对流换热系数，Ｗ／ｍ２ｋ；　Ａｉ——管内的面积，ｍ　；　Ｒ　——管内的污垢热阻，ｍ２ｌ（　；　ｈ。——管外的对流换热系数，Ｗ／ｍ２ｋ；　Ｒ旷一管外的污垢热阻，ｍ２ｌ（厂ｗ；　——管壳式换热器成为人们所研究的重点之一。　１传热强化的主要途径　肋面总效率（如果表面未肋化，则　７／ｏ＝１）；　由传热过程分析可知，单位时间内传热量如　（１）式所示：　ｑ）＝ＫＡ　Ａｔ　（１）　Ｒ，。　一管壁的导热热阻，ｍ　ｋ／Ｗ。　要增大总传热系数．就要设法减小对Ｋ值影响　较大的项。如果污垢热阻较大时，则应主要考虑如　可见，增大传热面积（Ａ）、传热系数（　）和　平均温差（△ｆ　）都可以增大传热量　１．１增大传热面积　１）合理优化结构，如采用合适的内外导流　。　何防止或延缓垢层的形成或使污垢层清洗方便。当　ｈ；和ｈ。差别不大时，最好能同时提高两流体的对流　换热系数；而当两者差别较大时，要设法增大换热　系数较小的一项。　２管壳式换热器传热强化技术进展　筒Ｉ１１，增大有效传热面积。　２）增大传热的扩展表面，如在管内外增加肋　片或翅片．提高单位容积内设备的换热面积，来增　强换热。　强化传热一般分为主动强化传热（有源强化）　３）将管壳式换热器串联增大换热面积。　１－２增大传热平均温差　传热平均温差的大小主要由冷热两种流体的温　度所决定．当两边流体均为变温的情况下，应当尽　与被动强化传热（无源强化）两种。主动强化传热　技术由于受到外加能量限制．因而工程主要采用被　动强化传热技术，即通过增加单位体积内的传热面　积或者提高传热系数增加传热量。目前，管壳式换　热器的传热强化技术主要包括管程和壳程的传热强　化研究。现分别介绍如下：　２．１强化管程技术　收稿日期：２００５—１１－０９；修回日期：２００５—１１－２４　作者简介：方运惠（１９７７一），女，重庆巫山人。２００１年７月毕　业于四川大学，助理工程师。　１）螺旋槽纹管Ｉ３１。螺旋槽纹管其形状为管壁被　挤压成螺旋槽状．用以强化管内气体或液体的传热　一８９—　维普资讯 http://www.cqvip.com

璺　塑　蠡　￥醛热　ＳＣｌ—Ｔ日ＣＨ　及管内液体的沸腾和管外气体的冷却。其强化机理　６）锯齿形翅片和花瓣形翅片１８１。锯齿形翅片与　是流体在管内流动时，沿螺旋槽运动产生局部二次　螺旋槽纹管相比，翅片距更密，翅片外缘开有锯齿　流，有利于减少边界层的厚度，还有一部分流体沿　缺口，其传热面积更大，由于翅片顶部呈错开锯齿　着轴向运动，产生漩涡引起边界层的分层及边界层　状，促进了冷凝液体的对流换热，是光滑管的６　分离。其传热性能较光滑管提高２～４倍。　倍。花瓣形翅片是一种特殊的三维翅片结构强化传　２）横纹管（４，５１。横纹管其形状为管壁被挤压成　热管。其形状是翅片从翅顶到翅根都被割裂开，翅　与管子轴线成９０。的横纹，在管壁内形成一圈一圈　片侧面呈一定的弧线，从侧面看，各翅片成花瓣　突出的圆环。用以强化管内气体和液体的传热及管　状。其肋化系数是光滑管的２．５倍，增大了换热面　内气体的冷凝。当流体流经横纹管的圆环时，在管　积，冷凝传热系数为普通滑管的５～１　８倍。　壁上形成轴向漩涡，增加了流体边界层的扰动，有　２．２强化壳程换热　利于通过边界层传递热量。当漩涡将要消失时，流　弓型折流板换热器是应用最普遍的一种传统管　体又经过第二个圆环，从而保证轴向漩涡不断生　壳式换热器，它的弊端在于：沿程压降较大；易出　成。１９８７年茂名石化公司炼油厂选用了两台ＦＢ８００　现流动死区、旁流和漏流，容易积垢；较高的质量　１８０　４０　２　ＩＩ型横纹管换热器，用作原油渣油换热器，　流速，易诱导换热管的振动，缩短了管壳式换热器　运行四年半年后经工厂标定，在压降相近的情况下，　的寿命。因而，强化壳程的研究主要是壳程结构的　比光管换热器的总传热系数提高８５％，在相同负荷　优化，将壳程流体的流动由传统的横向冲刷变为与　时，可节约４０％的面积，而且基本无结垢和腐蚀现　管内流体基本逆流的纵向冲刷，提高换热系数，防　象。　止流体的振动。　３）波纹管阎。波纹管是将光管加工成波纹形状　１）折流杆换热器。折流杆式换热器是一种以　的翅片，当流体流经波峰时，速率增加，静压降　折流栅代替折流板的换热器，它由排布的支撑杆形　低，而当流体流经波谷时，速率减小，静压增大。　成一系列的壳程折流，每副单一的折流栅的主要构　周期性的变化增加了流体的扰动，促使湍流产生，　件包括支撑杆、折流环交叉支撑拉杆、分隔板和纵　从而增大了传热系数。该管较普通的光管换热器效　向滑动杆。支撑杆杆端均焊接在圆环折流环上，采　率提高２～３倍。　用４种不同布置方式的折流栅构成折流栅组。华南　４）缩放管。缩放管是由依次交替的收缩段和　理工大学和大庆石油化工总厂共同开发了折流杆螺　扩张段组成的波形管道。在扩张段中流体速度降低，　旋槽管再沸器，已用在无相变及有相变冷凝传热方　静压增ａｌｌ；在收缩段中流体速度增加，静压减小。周　面，其总传热系数比普通光滑再沸器提高了１．２～１．７　期性的变化产生剧烈的漩涡冲刷流体边界层＇使其减　倍，而且能有效地防止流体诱导的振动破坏，抗振性　薄。缩放管可强化管内外单相流体的传热，在同等流　能良好。　阻损失下，Ｒｅ＝ｌｘｌ０４一ｌｘｌ０５范围内，传热量比光管　２）螺旋折流板１９｝。螺旋折流板通过改变壳程折　增加７０％。该管可用于多种类型换热器，如空气预　流板的结构，使壳侧流体呈连续的螺旋状流动。螺　热器、油冷却器、冷凝器以及废热锅炉等。　旋折流板之所以强化传热是因为：一方面流体在壳　５）管内插入物ｒｏ。用插入物强化管内单相流体　侧的流动更加接近于柱塞状的流动，提高了传热温　传热，尤其是高黏度流体的传热。管内插入物强化　差；另一方面，螺旋流动使壳侧流体半径方向上存　传热的机理是，利用插入物使流体产生径向流动，　在速度梯度，并且破坏了边界层从而强化了传热。　从而加强流体的混合，获得较高的对流换热系数。　２０世纪９０年代初由ＡＢＢ公司开发出系列产　中国石化北京设计院与华南理工大学联合研制的交　品，在实际应用中取得了良好的效果，尤其对于高　叉锯齿型插入物，是华南理工大学对１２种内插件　黏度流体效果更加突出。　（在Ｒｅ＝３００～３５００和Ｐｒ＝１３５范围内）进行比较后优　选的型式，可直接形成流体的混合，尤其适用高黏　参考文献：●，　　度流体的换热，在上海乙烯厂原油一蜡油介质换热　【１１吴金星，魏新利．纵向管壳式换热器强化传热研究与发展　器中使用，其总传热系数与光滑管相比提高了５０％。　叽．石油机械，２００２，０４（３０）：４９—５２．　９０—　维普资讯 http://www.cqvip.com

兰　旦曼鬻曼曼　ＴＡｌＹＵＡＮ　ＳＣｌ～ＴＥＣＨ　【２】　杨世铭，陶文铨．传热学【Ｍ】．第三版．北京：高等教育出版社，　１９９８：３１３－３２０．　热Ｕ】．石油炼制与化工，１９９８，２９（７）：３９－４２．　【８８］　詹清流，邓先和．花瓣状翅片管气体换热器（二）——横向　与纵向冲刷花瓣状翅片管的强化传热性能比较Ⅱ］．化工学　【３　金安，３］帅志明、螺旋槽管阻力与换热特性研究Ｕ】．化工学报，　１９９７，４８（４）：５１２—５１６．　‘　报，１９９８，２６（４）：１０—１３．　【４Ｊ周明霞．国内外换热器技术进展ＵＪ．压力容器，１９９５，１２（１）：　【９Ｊ　王秋旺．螺旋折流板管壳式换热器壳程传热强化研究进　１９－２３．　展Ｕ】．西安交通大学学报，２００４，３８（９）：８８１—８８６．　【５】张平亮．新型高效换热器的技术进展及应用Ⅱ】．压力容器，　（１．中国石化广东茂名分公司炼油系统，广东茂名　１９９７，１４（２）：１４６－１５２．　５２５０１１；２．广东海洋大学工程学院，广东　湛江　【６　邱广涛，６ｊ李春燕．波纹管式换热器（一）卟管道技术与设备，　５２４０２５）　１９９８（１）：４３—４５．　，　（责任编辑刘长生）　【７】朱冬生．插入物强化管壳式换热器管内高黏度流体的传　Ｓｔｒｅｎｇｔｈｅｎｉｎｇ　ｏｆ　Ｆｕｎｃｔｉｏｎ　Ｄｕｃｔ－ｓｈｅｌｌ　Ｓｔｙｌｅ　Ｈｅａｔ　Ｅｘｃｈａｎｇｅｒ　ａｎｄ　Ｉｔｓ　Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ　Ａｄｖａｎｃｅｍｅｎｔ　Ｆａｎｇ　Ｙｕｎｈｕｉ，Ｔｏｎｇ　Ｊｕｎｊｉｅ　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｆｒｏｍ　ｔｈｅ　ｈｅａｔ　ｔｒａｎｓｍｉｔｔｉｎｇ　ｐｒｏｃｅｓｓ．ｔｈｅ　ｐａｐｅｒ　ｍａｋｅｓ　ａｎ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｍａｉｎ　ｒｏｕｔｅ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｈｅａｔ　ｅｘｃｈａｎｇｅ．Ｉｎ　ａｄ－　ｄｉｔｉｏｎ　ｔｏ　ｔｈｉｓ，ｒｅｌｙｉｎｇ　ｏｎ　ｈｅａｔ－ｓｗｅｎｇｔｈｅｎｉｎｇ　ｔｈｅｏｒｙ，ｔｈｅ　ｐａｐｅｒ　ｉｎｗｏｄｕｃｅｓ　ｔｈｅ　ａｄｖａｎｃｅｍｅｎｔ　ａｎｄ　ｒｅｌａｔｉｏｎ　ｓｉｔｕａｔｉｏｎ　ａｂｏｕｔ　ｉｔ　ｉｎ　ｒｅ－　ｃｅｎｔ　ｙｅａｒｓ．　Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｄｕｃｔ－ｓｈｅｌｌ　ｓｔｙｌｅ　ｈｅａｔ　ｅｘｃｈａｎｇｅｒ；ｓｔｒｅｎｇｔｈｅｎｉｎｇ　ｈｅａｔ；ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ａｄｖａｎｃｅｍｅｎｔ　（上接第８８页）　过改变制备参数而调节，粒子多成球形和多面体　好的催化活性、选择性及热稳定性。　形，粒子表面只有高密度的缺陷，如位错、孪晶、　４结束语　扭折等。用该方法还制备出了具有稀土元素层包覆　由于超细粒子催化剂的高活性和高选择性极具　的过渡金属纳米复合粒子。这种纳米复合粒子具有　工业化前景，已引起人们高度的重视。对超细粒子　高稀土元素的分散性。他还发现用氢电弧等离子体　催化剂的研究不断深入。将使整个催化领域发生重　法制备的纳米金属粒子作催化剂，研究了在加氢、　大的变革，对人类文明的进步发展有着深远的意　氧化利聚合反应中的催化性能与粒子结构、储氢特　义。　（山西综合职业技术学院，山西　太原０３０００６）　性之间的关系。研究结果表明，用该方法制备的纳　（Ｏｒ任编辑赵娟）　米金属粒子在加氢、氧化和聚合反应中均显示出很　Ｒｅｓｅａｒｃｈ　ｆｏｒ　Ｐｒｅｐａｒｉｎｇ　Ｓｕｐｅｒｆｉｎｅ　Ｐａｒｔｉｃｌｅ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ａｎｄ　Ｃｕｒｒｅｎｔ　Ｓｉｔｕａｔｉｏｎ　ｏｆ　Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　ａｓ　Ｃａｔａｌｙｔｉｃ　Ａｇｅｎｔ　Ｒｅｎ　Ｚｈｉｈｏｎｇ　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａｄｏｐｔｉｎｇ　ｓｕｐｅｒｆｉｎｅ　ｐａｒｔｉｃｌｅ　ａｓ　ｃａｔａｌｙｔｉｃ　ａｇｅｎｔ　ｗｉｌｌ　ｅｘｅｒｔ　ｓｐｅｃｉａｌ　ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ　ｕｐｏｎ　ａｃｔｉｖｉｙｔ　ａｎｄ　ｓｅｌｅｃｔｉｖｉｔｙ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｃａｔａｌｙｔｉｃ　ａｇｅｎｔ．Ａｔ　ｐｒｅｓｅｎＬ　ｒｅｓｅａｒｃｈ　ｆｏｒ　ｓｕｐｅｒｆｉｎｅ　ｐａｒｔｉｃｌｅ　ｃａｔａｌｙｔｉｃ　ａｇｅｎｔ　ｈａｓ　ａｒｏｕｓｅｄ　ｗｉｄｅ　ａＵｅｎｆｉｏｎ　ａｎｄ　ｉｔ　ｈａｓ　ｂｅｅｎ　ａｐｐｌｉｅｄ　ｄｅｅｐｌｙ　ｉｎ　ｖａｒｉｏｕｓ　ｒｅａｃｔｉｏｎｓ　ｏｆ　ｃａｔａｌｙｔｉｃ　ｆｉｅｌｄ．　Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｓｕｐｅｒｉｆｎｅ　ｐａｒｔｉｃｌｅ；ｃａｔａｌｙｔｉｃ　ａｇｅｎｔ；ｓｕｐｅｒ　ａｃｔｉｖｉｔｙ；ｓｅｌｅｃｔｉｖｉｔｙ