管壳式换热器节能减排技术的应用研究

摘 要：在石油化工行业中，管壳式换热器的应用越来越广泛。高效换热器的使用能够使金属材料的消耗得到降低，从而使能源的利用率得到进一步的提升，达到节能减排的目的。管壳式换热器节能减排技术的研究和应用主要集中在两个方面：管程强化传热和壳程强化传热，本文对此进行了简要的介绍，旨在进一步推进管壳式换热器的节能减排技术应用和研究。

关键词：节能减排；换热器；管壳式

中图分类号： TH21.5 文献标识码： A 文章编号： 1673-1069（2016）20-162-2

0 引言

在一些高能耗的产业部门中都要应用到换热器，例如动力、石油、化工等。由于化石能源的紧缺，我国在各行各业积极倡导节能减排，这也进一步推进了换热器节能技术的发展。换热器中应用最广泛的一种就是管壳式换热器，管壳式换热器的节能减排技术主要针对增大传热面积和提高传热系数两个方面，通过强化传热技术来实现节能减排的目的。

1 管壳式换热器的管程节能技术应用

在管壳式换热器中，强化传热，指的是通过对光管进行加工，将其加工成为各种形状的异形管，或者在管内插入其他物体来进行传热强化，这样可以对传热面积进行扩展，使流体的湍流速度增加[1]。

1.1 管内插入件

为了对管内的单向流体传热进行强化，可以使用管内插入件的方法。常用的管内插入件主要有静态混合器、螺旋片、螺旋线圈、纽带等。与光管相比，将麻花片纽带加入到管内，能够增加55%-95%的管的换热系数，70%-400%的摩擦系数。这是由于管内液体从层流到湍流时的临界雷诺数会因为管内的插入物而降低，使其具有更好的强化传热效果。

1.2 针翅管

针翅管不仅能够节省支撑板材料，而且能够使传热面得到有效的扩大，并使流体产生强烈的扰动，有着良好的强化传热效果。针翅管可以作为油品换热器中的换热管，以代替传统的螺纹管和钢管，其具有含尘高温烟气、高粘度介质、低传热膜系数，在余热回收以及纵向流管束换热中都可以得到有效的应用[2]。

1.3 带内凸肋结构管

带内凸肋结构管的显著特征就是管壁上存在有内凸肋结构，应用比较广泛的带内凸肋结构管是横纹管和螺旋槽管。通过对光管进行挤压可以制成螺旋槽管，通过无相变或有相变的传热，螺旋槽管的管壁条纹能够使管内外的传热系数得到明显的提高。与此同时冷凝液膜也会产生附加的表面张力，从而使冷凝传热热阻减少，横纹管的制作比较简单，选择普通圆管，通过滚轧的方式在管外壁制作出一些凹槽，并在管内制作出凸起的环肋，凹槽的方向垂直于轴线。当横向环肋中有液体流过时，就会形成轴向旋涡，使边界层的扰动不断增加，促使边界层的分离，热量传递比较有利。而且一个漩涡消失又会产生另一个涡流，从而对其强化传热作用进行稳定。

在冷凝、沸腾、对流的工况中都比较适用带内凸肋结构管，这是由于其具有并强化传热的功能。单头螺旋纹管的流体阻力略大于横纹管，但其具有更好的传热性能。

1.4 缩放管

使用一次交替的多节渐扩段和渐缩段能够构成缩放管。在管壁面收缩的作用下，流经缩放管的液体压力会出现周期性变化，从而产生涡流，涡流会对流体的边界层进行冲刷，减薄边界层，从而达到增加传热系数的目的。而且管内外单向流体的传热都可以得到有效的强化，在流阻损失不变的前提下，与光管相比，使用缩放管能够增加70%左右的传热量。根据相关研究，缩放管扩张段的局部换热系数逐渐下降，其收缩段具有较强的凭据换热能力。这是由于收缩段的流体加速，能够强化传热，而扩张段流体减速，会弱化传热。当前的缩放管结构中，收缩压和扩张段的长度各占一半，由于扩张段的比例较大，一定程度上影响了缩放管的总体传热效率。因此可以适当的减少扩张段的长度，增加收缩段的长度，并运用平直链面连接方式作为缩放连接处，对流体阻力进行进一步的减小[3]。

1.5 三维内肋管

使用专门的工具和方法加工普通圆管的内壁，能够使其成为三维内肋管，其是一种局部强化传热元件。三维内肋管具有以下几点传热机理：第一，三维内肋管对管内传热面积进行了进一步的扩大；第二，三维内管中的各肋都可以成为扰动源，使流体流动的紊动度增加；第三，肋间的近壁面处流体会进一步加速，从而使热边界层的厚度进一步减薄；第四，三维肋会受到流体的横向冲刷，从而增大肋与流体的换热系数；第五，三维内肋管中的流体会形成周期性振动。

通过相关实验表明，与光管相比，三维内肋管的空气换热倍数为5.8倍，在相同工况下，三维内肋管的管内沸腾换热是光管的2-5倍，凝结换热是光管的3-5倍。然而其缺点在于具有比较复杂的加工工艺，而且清洗比较困难[4]。

2 管壳式换热器的壳程节能技术应用

支撑管束是管壳式换热器中管束支撑结构的主要作用，通过支撑管束能够使有效地控制流体的流速和流行，避免流体诱导振动而造成的管子失效。在管壳式换热器中，壳程的关键部件就是管束支撑结构。有两种方式可以对换热器的壳程传热进行强化，分别为对传热管的管间支撑结构进行改变和对传热管的外表面结构进行改变。

2.1 管间支撑结构

2.1.1 管子自支撑结构

自支撑管能够对原有的管束支撑进行有效的简化，并使换热器的紧凑度得到一定的提高，常用的自支撑管包括变截面管、螺旋扁管、刺孔膜片管等。管子主要是靠变径部分、螺旋线和刺孔膜片进行支撑，其能够构成壳程的扰流元件，使流体自身的湍流度增大，管壁上的流体边界层也会遭到破坏，从而增强壳程传热。

2.1.2 空心环支撑结构

依照一定的间隔将小直径的金属短管设置在换热管束的同一界面上，以此来替代传统的折流栅，其不仅能够，对管束进行支撑，对流体扰动也有一定的促进作用。将强化板和空心环支撑组合起来，可以形成花瓣管、低肋管、缩放管等，流体纵向冲刷产生的对流换热得到了一定的强化，其具有压降小、壳侧空隙率大的优点。

2.1.3 杆式支撑结构

折流板换热器中，横向冲刷的流体可能会产生一定的振动破坏，为了解决这一问题，产生了杆式支撑结构，其主要构成部件是支承杆和折流栅。将一定数量的折流杆焊接在折流圈上，形成折流栅。折流杆会夹住管子，并保持流体的纵向流动。折流杆换热器的有点在于设备结构紧凑，具有良好的抗振性能和较小的流体阻力，传热系统较大。

2.2 管外传热强化

表面多孔管具有良好的管外传热强化功能，由于加工方法的不同，表面多孔管又可以分为机械加工多孔表面管、化学腐蚀加工多孔表面管、烧结多孔表面管等类型。表面多孔管具有粗糙的表面和多孔隧道，气化核心增强，对于形成泡核沸腾更加有利，沸腾时更容易产生强烈的对流给热。但是表面多孔管也存在一定的不足，综合性能较好的是烧结多孔表面管，机械加工多孔表面管难以形成很小的空隙，从而不能有效地提高传热性能，化学腐蚀加工多孔表面管中的金属很容易被氧化，容易掩盖或阻塞微孔，影响使用寿命。

3 结语

在管壳式换热器中应用各种有效的节能减排技术能够起到良好的作用，主要是对换热器结构进行改进或者对传热元件进行强化。当前该方面的研究大多属于半经验性和经验性研究，但是这也存在一定的问题，在强化传热的过程中可能会增加流动阻力。因此在应用节能节排技术时还要考虑对流体阻力的增加进行有效的控制。

参 考 文 献

[1] 唐安.一种水冷换热设备除垢方法研究[J].船电技术，2016（02）.

[2] 尤天运.浅谈换热器管束制作过程中的关键工序[J].中国新技术新产品，2013（22）.

[3] 金文凯.U型换热器管束潜在质量问题分析及处理对策[J].中国化工装备，2013（01）.

[4] 王尊策，何宝林，韩建荒，李森，李君书.高温换热器多场耦合数值模拟研究[J].化工机械，2013（02）.

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