管壳式换热器的研究进展.pdf

第38卷第6期
化工技术与开发
Vol38 No6
2009年6月
Technology Development of Chemical Industry
Jun.2009
化学程
管壳式换热器的研究进展
冯国红,曹艳芝,郏红
(太原科技大学材料学院,山西太原030024)
摘要:综述了近年来管壳式换热器的研究进展,从管程、壳程两方面介绍了传热强化技术和传热强化结构。
管程传热强化方面主要介绍了一些新型强化管,壳程方面主要介绍了一些新型的支承结构,并指出了管壳式换热
器的研究方向。
关键词:管壳式换热器;研究现状;传热性能
中图分类号:TQ051.5
文献标识码:A
文章编号:1671-9905(2009)06-0041-05
换热器是化工、石油、能源等各工业中应用相当管、针翅管、旋流管、缩放管等。
广泛的单元设备之ー。据统计,在现代化学工业中1.1.1螺旋槽纹管换热器
换热器的投资大约占设备总投资的30%,在炼油厂
螺旋槽纹管亦称螺旋槽管,是一种优良的高效
中占全部工艺设备的40%左右,海水淡化工艺装置异形强化传热管件,图1为螺旋槽纹管结构,由光滑
则几乎全部是由换热器组成的。对国外换热器市场管在车床上轧制而成,分为单头和多头,用于强化管
的调査表明,虽然各种板式换热器的竞争力在上升,内气体或液体的传热、强化管内液体的沸腾或管外
但管壳式换热器仍占主导地位约64%。新型换热蒸汽的冷凝。其强化机理为:流体在管内流动时受
元件与高效换热器开发研究的结果表明,列管式换螺旋槽纹的引导,靠近壁面的部分流体颀槽旋流,有
热器已进入一个新的研究时期,无论是换热器传热利于减薄边界层厚度;还有一部分流体颀壁面轴向
管件,还是壳程的折流结构都比传统的管壳式换热流动通?螺旋槽纹凸起处便产生轴向漩涡,引起边
器有了较大的改变,其流体力学性能、换热效率、抗界层分层及边界层中流体的扰动,从而加快由壁面
振与防垢效果从理论研究到结构设计等方面也均有至流体主体的热量传递。华南理工大学1和重庆
了新的进步。目前各国为改善该换热器的传热性能大学?经试验研究及理论推导,得出了单头螺旋横
开展了大量的研究,主要包括管程结构和壳程结构纹管比多头螺旋横纹管的综合性能好的结论。美国
强化传热的发展,现简介如下。
Argonne国家实验室和GA技术公司设计、制造的
1管壳式换热器管程结构发展
螺旋槽纹管换热器,其传热效率比光管提高了2~4
倍。
管程强化传热技术可归结为两个方面:改变传
热面的形状和在传热面上或传热流路径内设置各种
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形状的插入物。
.1改变传热面形状
其强化传热机理为:通过对管子进行各种缅微
的加工,以期在管子壁面上形成有规律或无规律分
图1螺旋槽纹管
布的凸起物,或将管壁本身沿轴向制成波纹状或螺1.1.2波纹管换热器
旋凹肋等,这些传热面上的各种形状的凸起物既是
波纹管换热管由沈阳市广厦热力设备公司于
无源扰动的促进体,又起断续阻断边界层发展的作20世纪90年代初研制成功,由波纹管和接头两部
用。这些强化传热管主要有螺旋槽纹管、波纹管、横分组成,结构如图2所示。其管壁很薄(0.5~1
纹管、V型纵槽水平螺旋管、变形翅片管、三维内肋mm),波峰波谷高度差达10m,换热管可自由伸
作者简介:冯国红,(1981-),女,河北肃宁人,太原科技大学过程装备与控制工程教研室,助教,主要从事化工设备设计,联系电
话13803431902
收稿日期:2009-03-06
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化工技术与开发
第38卷
缩,流体在复杂截面内不断改变方向和流速,促使亲
清华大学过增元院士根据场协同理论研发出2
流增加,边界层减薄和增强相变换热等,从而增大传种多纵向涡新型强化换热元件:不连续双斜向内肋
热系数K。在水一水换热器中,K可达2000~3600管和交叉缩放椭圆管。不连续双斜内肋换热管是通
W-(m2℃)-1,在汽一水换热器中K可达3000~过轧制等方法在换热管的内壁面形成许多不连续
4500W?(m2℃)-1,对于其它介质其传热效率可提的、与轴线有一定夹角并向2个方向倾斜的条状凸
高2~4倍,减少换热面积40%以上。这种高效换起物一双斜内肋。管内流体在管壁上多个双斜内肋
热器还具有不易结垢、单位容积传热面积大、耐腐蚀对的作用下诱导产生多纵向涡流,且涡流主要集中
性强、温差应力小等优点。然而,由于波纹管是由薄在管壁面附近,从而使对流换热得到强化,并具有良
壁光滑管加工而成,成型后其应力状态复杂化,管束好的抗结垢功能。
的强度和刚度都与光滑管有很大差别,致使管束和
孟继安[]等的研究表明,当Re=500~2300
管板的应力分析困难。为解决这些问题从而使其能时,与圆管相比,不连续双斜向内肋管的换热增强
更广泛地应用于石油化工等工业领域,对波纹管换250%~650%,阻力增加120%~300%;交叉缩放
热器进行强度研究,建立相应的设计标准是非常必椭圆管可提高200%~500%,沿程阻力增加100%
要的。因此制定波纹管换熱器强度设计标准,于~350%;当Re=2300~5×10时,不连续双斜向
2002年被纳人国家锅炉压力容器标准化技术委员内肋管换热可增强110%~-240%,阻力增加120%
会项目,由沈阳化工学院和沈阳市特种设备检测研~240%;交叉缩放椭國管换熱可增强35%
究院等单位负责起草,将波纹管换熱器设计方法列170%,阻力增加130%~160%。
为国家标准CB151《管壳式换热器》的附录,并于1.1.5变形翅片管换热器
2004年以名为“奥式体不锈钢波纹管换热器设计标
为提高翅片管螺旋冷凝菾发器的效率,必须改
准案例”正式颂布3]
变翅片的几何形状,以促进“沸腾缝隙效应”的形成。
为此,俄罗斯推出一种变形翅片管螺旋冷凝蒸发器,
F
波纹管
即将冷压制直翅片管拉成各种直径的定径器(模
具),变形后的翅片表面成为半封空腔,汽化过程发
生在翅片表面,而不是在翅片间隙中。变形翅片由
于翅片间隙出口较逸出汽泡直径小,便能维持正常
的汽相,从而省去分离两相所需的能量。采用变形
翅片管还可以提高单位管子长度上的热,这样不
仅强化了汽化过程也扩展了传热面积。
图2波纹管换热管
为提高翅片化表面的性能俄罗斯又提出了一种
1.1.3螺旋扁管换热器
先进方法:气动喷涂法。其实质是采用高速的冷的
螺旋扁管是瑞典 Allards公司推出的高效换热元或稍微加温的含徽粒的流体给翅片表面喷镀粉末粒
件,其结构特点是管子换热段任一截面类似于椭圆,子。该方法不仅可喷涂金属还能喷涂合金和陶瓷
其长、短轴之比可根据换热器管程和壳程的流速确(金属陶瓷混合物),从而得到各种不同性能的表面。
定。螺旋扁管换热器可以由混合管東(光管和螺旋扁气动喷涂法不但可用于成型,还可用来将按普通方
管混合使用)也可以由纯螺旋扁管组成。流体在壳程法制造的翅片固定在换热器管子的表面上,也可用
与管程大体呈纵向流动,同时伴随有横向螺旋运动来对普通翅片的底面进行补充加固。
这种流速和流向的周期性改变加强了流体的轴向混1.2管内加内插物
合和湍流度。同时,流体流经相邻管子的螺旋线接触
用插人物强化管内单相流体传热,尤其是对强