肖 克，張巨偉，于 妍

（遼寧石油化工大學 機械工程學院， 遼寧 撫順 113001）

管殼換熱器的發(fā)展和前景

肖 克，張巨偉，于 妍

（遼寧石油化工大學 機械工程學院， 遼寧 撫順 113001）

管殼式換熱器在換熱設備中占據(jù)著主導地位。通過對管殼式化熱器、傳熱元件及換熱器結(jié)構(gòu)的進行了綜述，并對換熱器的存在問題及技術(shù)發(fā)展前景進行了討論，可知我國的管殼式換熱器水平和歐美國家相比還有很大差距，我們需要針對相應的問題進行攻關。

管殼式；換熱管；結(jié)構(gòu)；模擬設計

隨著我國工業(yè)的發(fā)展，換熱設備在石油、化工、冶金、核電等行業(yè)的市場規(guī)模迅速擴大，據(jù)相關資料可知，2016年換熱裝備行業(yè)規(guī)模突破1 000億元，同時也對高效、環(huán)保、節(jié)能、大型化、新材料應用等方面提出了更高的要求。目前，由于大多數(shù)企業(yè)在創(chuàng)新體系的建設、研發(fā)和創(chuàng)新的資金投入，人才開發(fā)等方面仍處于較低水平，距2020年實現(xiàn)我國又換熱裝備生產(chǎn)大國邁入世界換熱裝備強國的目標還有很大差距。在文獻［1］中表明，各種形式的換熱器不斷在發(fā)展增加，而管殼式換熱器在市場中占主導地位，大約在60%以上，可見，管殼式換熱器在國民的經(jīng)濟作用是不可限量的。

1 管殼換熱器的發(fā)展狀況

管殼式換熱器按基本類型劃分可分為，固定管板式換熱器、浮頭式換熱器、U形管式換熱器、填料函式換熱器和釜式重沸器。國內(nèi)外換熱器歷年的參數(shù)適用范圍如表1。

對于大型管殼式換熱器來說，國外的生產(chǎn)環(huán)氧乙烷/乙二醇規(guī)模從7萬t/a發(fā)展到68萬t/a，而我國環(huán)氧乙烷/乙二醇生產(chǎn)規(guī)模最大的是中國石化在鎮(zhèn)海所建的項目［2］，生產(chǎn)能力達到65萬t/a，其中工藝技術(shù)采用美國的DOW化學公司工藝，其換熱器直徑達到4 700 mm，換熱管的長度超過20 m，換熱面積最大達到了10 000 m2以上［3］。

表1 適用的參數(shù)范圍Table 1 Applicable range of parameters

而相對于大直徑、長換熱管的換熱器，在現(xiàn)行的國內(nèi)外標準中沒有十分適合的計算方法，較小的金屬壁溫差也會導致設置膨脹節(jié)或者增加管板的厚度，其現(xiàn)行的國家標準中超過2 000 mm的壓力容器用膨脹節(jié)需要特殊的設計和制造，而換熱管在超過20 m以及接近20 m的范圍內(nèi)其質(zhì)量也得不到保證。我國以常熟華新特殊鋼有限公司和江蘇銀環(huán)精密鋼管股份有限公司為代表率先實現(xiàn)了30 m以內(nèi)的重要材料換熱管的國產(chǎn)化，而中國一重和上海重型在鍛制管板的能力上也有了進一步的提升，其中完成了帶有柔性連接環(huán)的大型薄管板［4-5］。

2 換熱管的發(fā)展狀況

國外的換熱管總體上分為三類：一是擴大傳熱表面積的換熱管；二是促進渦流的換熱管；三是利用表面張力的換熱管。擴大傳熱表面積的換熱管具有代表的是翅片管、低翅片管和繞帶縱向翅片管及紙條縱向翅片管，其中低翅片管是由光管軋成的，外徑等于光管，翅間距約為1.3 mm，間隙寬約為1 mm，翅高約為 1.6 mm，可替換換熱器中的光管，通常用在膜傳質(zhì)系數(shù)為中等的工況。

促進渦流的換熱管具有代表的是螺旋波紋管、縱向波紋管和漩渦管，縱向波紋管是很有前景的傳熱管，表面凹入狀，與管軸的平行方向呈近似的三角波狀或正弦波狀如圖1所示，這種換熱管立式安裝，可以強化內(nèi)外兩側(cè)傳熱，在作為單相流的換熱管之外，還可以用于冷凝或沸騰，傳熱性能良好；渦流管又稱多頭螺旋波紋管，如圖2所示，其表面槽狀為螺旋形式，一般為3到5條，流體在兩側(cè)流過，均可以強化波動，加強了傳熱。

圖1 縱向波紋管Fig.1 Vertical corrugated pipe

圖2 漩渦管Fig.2 Vortex tube

圖3 帶孔L形翅片管 （1.帶孔翅片；2.管壁）Fig.3 Perforated L shaped fin tube（1. Perforated fin； 2. The wall）

利用表面張力的換熱管具有代表的是多孔金屬復層管、細槽面管、帶孔L形翅片管和鋸齒形翅片管，帶孔L形翅片管結(jié)構(gòu)見圖3所示，這種管子活性氣泡的發(fā)生點多，強烈的局部對流使氣泡的產(chǎn)生速度快，在槽內(nèi)的氣泡穩(wěn)定性良好，使其傳熱性能顯著提高。

國內(nèi)的已使用的換熱管有螺紋管、T形翅片管、表面多孔管、螺旋槽紋管和波紋管等［6］，螺紋管類似于國外的低翅片管，常用與管內(nèi)外熱阻之比大于1.5的單相流、腐蝕易結(jié)垢的物料換熱；T形換熱管可以提高沸騰給熱系數(shù)約為1.6到3.3倍，可以使用在重沸器和蒸發(fā)器上；表面多孔管類似于帶孔L形翅片管，主要目的是強化沸騰傳熱；波紋管的管內(nèi)外的都有強化的傳熱作用，但其承載壓力不高，排管少，殼程短路不易控制。

3 管殼換熱器的結(jié)構(gòu)

隨著管殼式換熱器的不斷發(fā)展，涌現(xiàn)出各種各樣的型式，其中具有典型代表的有雙殼程結(jié)構(gòu)、螺旋折流板式結(jié)構(gòu)、雙管板結(jié)構(gòu)和高溫高壓密封結(jié)構(gòu)等。加氫裝置的雙殼程換熱器［7-8］也是在近 10年發(fā)展起來的，這種換熱器的技術(shù)含量高，通常是在管束中間設置縱向隔板，殼體內(nèi)壁與隔板通常用一種金屬密封片來阻止介質(zhì)的流漏，從而形成雙殼程，這種換熱器給熱系數(shù)大，單臺設備不僅可以實現(xiàn)傳熱，還可以獲得較好的傳熱溫差；螺旋折流板式結(jié)構(gòu)換熱器可以達到連續(xù)的螺旋狀流動，從而能夠有效降低殼側(cè)的流動阻力及強化傳熱的目的［9-10］，另外換熱過程中徑向溫度變化明顯，不適用高效率場合；雙管板結(jié)構(gòu)主要是由于這種結(jié)構(gòu)有利于防止殼程介質(zhì)串流［11］，主要應用于兩種介質(zhì)的混合易引起燃燒核爆炸的，從而做到以安全為主；高溫高壓密封結(jié)構(gòu)具有代表的有金屬環(huán)墊、螺紋鎖緊環(huán)結(jié)構(gòu)、密封蓋板封焊型和Ω環(huán)密封結(jié)構(gòu)［12］，Ω環(huán)密封結(jié)構(gòu)是一種新型的密封結(jié)構(gòu)，適合在高溫高壓的工況下，其結(jié)構(gòu)如圖4所示，優(yōu)點是螺栓的預緊和操作載荷較小，減小了相關部件的尺寸，從而降低了產(chǎn)品的質(zhì)量；維修方便，密封可靠；造價低，適用范圍廣。

圖4 Ω環(huán)密封結(jié)構(gòu)Fig.4 Ω ring seal structure

4 管殼式換熱器存在的問題及技術(shù)的發(fā)展前景

4.1 存在的問題

在國外購買一些大型的換熱設備和本國生產(chǎn)制造的換熱設備的工藝包一般都是從國外購買來的，這使得很多結(jié)構(gòu)不能有很清楚的認識：

（1）對于管殼式換熱器來說，在設計中缺乏對于管束的防振認識，在大型換熱器中，介質(zhì)流較大時，流體橫穿過管束，受到振動和卡門漩渦的影響，可能導致管束振動和聲振動，如果達到一定程度會造成無法預估的經(jīng)濟損失。

（2）借鑒國外的設計經(jīng)驗時，復雜的內(nèi)部結(jié)構(gòu)是保證工藝順利進行的主要前提，由于有時不理解工藝商的主要目的，可能制約著此類換熱設備的推廣應用。

（3）在大型管板制造時，不僅需要消耗大量的金屬材料，加大鍛造難度，甚至還需要拼焊，如何保證焊接材料和與管板材料性能的一致性以及防止變形等一系列的工藝需要我們逐步的改進。

（4）大型換熱器的組裝需提高很多零部件的加工精度，管束重，管子長，折流板多都制約著穿管子的可行度，小直徑剛性差的管子很難控制撓度，這需要提出較高的裝配工藝，以及良好的工裝。

（5）管板和換熱管的連接一般分為強度脹接、強度焊接和脹焊并用，脹焊并用我國多采用強度焊和貼脹，而在國外應用密封焊和強度脹較多，當有高速的流體沖刷時很難保證密封的安全，相對而言，國外采取的結(jié)構(gòu)更為可靠些。

（6）小直徑的換熱器的脹接技術(shù)和相關接頭的檢測技術(shù)和國外的技術(shù)水平相比還落后很多。

（7）目前對于管殼式換熱器來說，多數(shù)還是采用光滑的傳熱管，這也給予了我們更大的提升空間。

（8）高效換熱管在一些特種材料上的應用還是空白，國內(nèi)現(xiàn)基本以碳鋼、不銹鋼以及一些合金的換熱管，這需要我們加大科研力度。

（9）在生產(chǎn)制造中由于板材和鍛件熱應力產(chǎn)生的變形，我們需要怎么樣才能做到變形量的最小化，并且保證材料的性能，是需要我們作深入探討的。另外腐蝕環(huán)境對換熱部件的影響也是值得我們思考的。

4.2 技術(shù)的發(fā)展前景

（1） 隨著CAD技術(shù)和數(shù)據(jù)庫技術(shù)的發(fā)展，設計人員只需相應的輸入相關參數(shù)就可以得到很多關于技術(shù)的資料以及相關數(shù)據(jù)，并且還可以反饋這些數(shù)據(jù)，進一步改正，從而提高數(shù)據(jù)的準確性。另一方面，CAD技術(shù)與數(shù)據(jù)庫的結(jié)合終將會代替手工的計算和設計，從產(chǎn)品的設計周期上必將得到很大程度的縮短。

（2）GB/T 151-2014中對管頭與管板焊接型式進行了修訂，明確了相關的焊接型式和相應的尺寸，另外在分程隔板校核中也明確了要考慮隔板的雙面腐蝕余量的問題，對于換熱管與管板的脹接問題，王靈果［13］對脹管率的問題進行了研究，隨著產(chǎn)品的不斷地更新?lián)Q代，標準也在不斷的改新中，并且逐步的趨近于完善。

（3）隨著檢測技術(shù)的發(fā)展，先可以運用多種檢測技術(shù)，例如UT、MT、RT和PT等，但最有代表的就是TOFT技術(shù)，檢測形式和質(zhì)量都有了進一步的提升。

（4）污垢是換熱器設計中值得注意的問題，它產(chǎn)生的熱阻參數(shù)是一個有爭議的問題，常帶有經(jīng)驗性。在國內(nèi)主要采用物理和化學方法進行防垢處理，而在國外除了上述兩種方法以外，目前通過添加一些化學藥劑并在實驗室中進行實時監(jiān)測，主要是確定結(jié)垢的臨界值，并應用到換熱設備上去。在國內(nèi)在無可靠的結(jié)垢相關數(shù)據(jù)時，一般采用TEMA的經(jīng)驗數(shù)據(jù)［14］，而國內(nèi)針對這些問題也進行了一些研究，其中江村等人［15］提出了一種新式管殼換熱器，錢伯章等人［16-17］對換熱器的清洗技術(shù)進行了討論，梁宗輝等人［18］對高壓水射流對換熱器清洗技術(shù)進行了研究，陳朝暉等人［19］對不結(jié)垢的換熱器進行了初步的探討。

（5）隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，有限元軟件模擬化設計和計算流體力學（CFD）的廣泛應用，加速了換熱設備的更新?lián)Q代，結(jié)合相應的實驗很大的程度上縮短了產(chǎn)品的研發(fā)和設計周期，楊國義等人［20］對局部布管區(qū)的換熱管和管板進行了應力分析，黃毓秀等人［21］應用有限元軟件對管板的剛性和撓性進行了分析和對比，孫海生等人［22］應用計算流力力學軟件對管道內(nèi)壁的流體腐蝕速率進行了數(shù)值模擬。

（6）我國在焊接材料上的用量在國際上都是名列前茅的，在綠色環(huán)保的前提下，要求我們提高焊接材料的技術(shù)含量，加強對生產(chǎn)工藝的改進，采用燒結(jié)焊劑代替熔煉焊接，從而節(jié)省能源，采用可回收或易降解的材料對產(chǎn)品進行包裝。

5 結(jié) 論

通過本文前面的敘述可知，管殼式換熱器的型式和技術(shù)在不斷的發(fā)展，而建設和諧社會要求我們節(jié)能減排的使用綠色能源，而高能節(jié)效的管殼式換熱器也成為我們在換熱設備中研究的重要目標，我們要從以下幾方面做好進一步的研究：

（1）結(jié)合有限元軟件、算流體體力學（CFD）軟件及相應的實驗對換熱器的傳熱與工藝進行深入研究。

（2）對大型的管殼式換熱器進行深入研究，特別是高效的傳熱元件與管束組合的問題，他關系到實現(xiàn)管殼式換熱器大型化結(jié)構(gòu)的統(tǒng)一。

（3）針對我國冶金技術(shù)的局限性，換熱器的傳熱元件新結(jié)構(gòu)與新材料的研發(fā)，我們需要加大力度，將會促進整個換熱設備行業(yè)的發(fā)展。

（4）換熱器可靠性的壽命評估與設計、制造理念相結(jié)合，特別是在大型化管殼式換熱器設計中，管板設計、管板和換熱管的連接技術(shù)、防振技術(shù)、檢測技術(shù)等方面都需要不斷的進行完善。

（5）加強換熱設備腐蝕的監(jiān)測，加大對防腐工程技術(shù)的研究，以便更好的為管殼式換熱器的設計人員提供值得參考的資料。

（6）總體上而言，我國對管殼式換熱器研究和國外相比還是有很大的差距的，這就要求相關的科研單位和學校等要加強國際交流，加強對基礎的研究，引進國外先進的技術(shù)為我所用，開辟出新思路，不斷的研發(fā)新產(chǎn)品。

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Development and Prospect of Tube and Shell Heat Exchangers

XIAO Ke，ZHANG Ju-wei，YU Yan
（Liaoning Shihua University， Liaoning Fushun 113001，China）

Tube and shell heat exchanger in the heat exchange equipment is dominant. In this paper， the tube and shell heat exchanger， heat transfer components and the structure of the heat exchanger were summarized， and the problems of the heat exchanger and the technical development prospect were discussed， it's pointed out that level of tube and shell heat exchanger in China has the very big gap compared to European and American countries， we need to strengthen research on the corresponding issues.

Tube and shell；Heat exchange tube；Structure；Simulation design

TQ 052

A

1671-0460（2015）12-2821-04

2015-07-18

肖克（1986-），男，遼寧沈陽人，碩士研究生，研究方向：石化設備風險評估。E-mail：915089966@qq.com。