浅谈换热器节能技术
浅谈换热器节能技术
GB150-151
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以下文章来源于化工过程装备 ，作者TibeTravel
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1 前言
目前在我国石油化工行业中，换热设备投资占设备投资的30%以上，其中80%以上的管壳式换热器仍采用弓型折流板和光管结构，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。
换热器传热过程的强化就是力求使换热器在单位时间内、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。
2 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强化传热。
2.1螺旋槽纹管
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。
2.2 横槽纹管
如图 2 所示横槽纹管的强化机理为：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，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，其应用场合与螺槽纹管相同。
2.3波纹管
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：波鼓形、梯形、缩放形和波节形，详细结构分别见图 3 －图 6 。
2.4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。当壳程热阻为管程两倍以上时，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（如图 7 所示）和变形翅片管（如图 8 所示）的翅化率一般小于 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 30% 左右。
2.5螺旋扁管
螺旋扁管（如图 9 所示）的独特结构使流体在管内处于螺旋流动，促使湍流程度。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 50% 以上。
2.6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。
2.7针翅管
针翅管（如图 10 所示）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承板 ( 杆 ) ，大大节省支承板材料，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。
2.8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。目前管内插入件的种类很多，有纽带、螺旋线圈、螺旋片、静态混和器等。管内加麻花片（扭带）使管内换热系数比光管增加了 56% ～ 95 % ，摩擦系数增加了 70 % ～ 400 % 。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的应用于石油、化工、制冷、航空、车辆、动力机械等工业部门，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。
3 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:（a）横流式支撑，如传统的弓形折流板，使壳程流体呈横向流动；（b）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；（c）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 11 －图 13 。
3.1 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 20 世纪 70 年代开发了折流杆式换热器（如图 14 所示），该换热器不仅解决了振动问题，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 30% 左右，壳程压降减少 50% 。
3.2 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 15 中列举了几种常见的整圆形折流板，如矩形孔折流板换热器，梅花孔折流板换热器等。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。
3.3螺旋折流板换热器
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（ Re<1000 ）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β（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。
3.4空心环管壳式换热器
空心环管壳式换热器（如图 16 所示）用空心环管作支承结构 , 该支承方式轴向流道空隙率可高达 80% ，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。
3.5刺孔膜片管换热器
刺孔膜片管换热器的特点是刺孔膜片既是支撑元件，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；刺和孔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。
3.6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、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。
3.7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。
4 结束语
强化传热对化工行业节能减排有着重大意义。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。
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