管壳式换热器的研究与进展

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1、管壳式换热器的研究与进展张海龙(山西省太原重型机械集团煤化工设备分公司)摘要：介绍了管壳武换热器在多个方面的技术进展情况，主要从改进管子，折流挡板和支撑物，加入管内扰动体等方面提高传热效率，并简述了一些应用情况和几种新型材料的管壳式换热器。同时对换热器的防腐措施以及改进动向作了介绍。关键词：管壳式换热器；研究与进展；化工设备；强化传热；防腐换热器是化工、石油、动力、钢铁、食品、发电及其他许多工业部门的通用设备，在生产中占有重要的地位。尤其是化工生产中，换热器关系到生产的正常运行和操作费用。换热器的种类繁多，但管壳式换热设备在化工生产中仍占据主要地位，尤其在高温或有腐蚀性介质的作业中更能显出优势

2、。管壳式换热器是由一些直径较小的圆管加上管板组成管束，外套一个外壳而构成，其结构坚固，适应性强，选材广，易于制造，成本低。但是，在流动面积相等的条件下，圆形通道的表面积最小，而且管子之间不能紧密排列，故管壳式换热器的共同缺点是结构不紧凑，单位换热器的容积所提供的传热面小，传热系数不高，金属消耗量大。因而，目前在提高该类换热器性能所开展的研究主要是强化传热，适应高参数和各类有腐蚀介质的耐腐材料以及为大型化的发展所作的结构改进。随着工业的发展，陆续出现了不少高效紧凑的管壳式换热器并逐渐趋于完善。这些换热器基本上可分为两类：一类是在管壳式换热器的基础上加以改进；另一类则根本上摆脱圆管而采用多种板状换

3、热表面。在管壳式换热器基础上改进的板式换热器，有结构紧凑，材料消耗低，传热系数大等优点，但是不能承受高温高压。本文就管壳式换热器的自身改进加以论述。管壳式换热器的自身改进，换热器的强化传热就是采用一定的措施增大换热设备的传热速率，力图用较少的传热面积或体积的设备来完成传热任务。强化型换热器在石油、化工、制冷、航空、车辆、动力机械等工业部门已得到广泛应用。强化传热已被学术界称为第二代传热技术。换热器的强化途径主要有：提高传热系数，扩大传热面积，增大传热温差等。其中提高传热系数是当今强化传热的重点。传热系数的大小主要取决于换热器内两种流体的对流传热系数、污垢层的热阻和换热管管壁的热阻等。一般情况下

4、热管管壁的热阻比较小，可以忽略不计，而主要通过在管内装入各种强化添加物(内插物)，设置挡板，增强湍流强度和延缓污垢层的形成等措施，达到提高传热系数的目的。为了实现换热器的传热高效化，其先决条件是提高单位体积的传热面积和提高传热面的传热效率，以提高综合传热系数，即强化传热(狭义的强化传热是指提高流体和传热面之间的传热系统)。其主要方法可归结为使温度边界层减薄和调换传热面附近的流体。前者采用多种间断翅片结构，后者采用泡核沸腾传热。人们想方设法实施强化传热，归纳起来有以下4种方法：改变传热面的形状；在传热面或传热路径内加入扰动促进体；对折流挡板和支撑物加以改进；特殊材料管子的制造。一57—1改变传热

5、面的形状改变传热面形状的方法有多种，用于无相变强化传热的有：横槽管，螺旋管，缩放管和波纹管。新近又开发出偏置折边翅片管和螺旋扁管。用于有相变强化传热管，主要是在传热表面烧结一层金属或镀层，通过机械加工附加一些细孔等结构，在沸腾时使用这类传热面可以使起泡点数目增多，并在细孑L内产生蒸气时。能从通孔的另一人口端吸取液体，从而促进细孔内液膜的蒸发，收到显著改善沸腾换热系数的效果。对于凝结，还有一种翅片结构，利用凝结液在滴落过程中，由表面张力的作用把凝结液膜拉开，使液膜减薄。例如短翅片管，由于翅片的前缘减薄，促进液膜的下流，而使换热系数增高。现在的冷冻机换热器，如果管子制成上述形式，那么将使其体积减小

6、成本降低，效能提高。目前广泛研究的是螺旋槽管，横纹管以及利用机械加工，烧结，由化学腐蚀及表面镀层等手段制成的管件。螺旋槽管是在管壁挤压出单头或多头螺旋槽，是一次加工双面成型的高效传热元件。螺旋槽纹管换热器其管内强化传热主要由两种方式起决定作用：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，产生局部的二次流，增加流体的湍动性；还有一部分流体顺壁面轴向流动，由于螺旋槽导致形体阻力，产生逆向压力梯度，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。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2

7、4倍。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。横纹管是20世纪70年代中期出现的一种高效换热器元件，它是以普通光管为毛坯，经简单滚压在管外壁形成与轴线成直角的环状槽纹。横纹槽管换热器流体经过圆环形的凹槽时，管壁上形成轴向旋涡，增加了流体边界层的扰动，使边界层分离，有利于使热量通过边界层进行传递。当漩涡将要消失时，流体又经过下一个圆环形凹槽，所以能保持不断地生成轴