項(xiàng)祥勇

摘 要：在石油化工行業(yè)中，管殼式換熱器的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。高效換熱器的使用能夠使金屬材料的消耗得到降低，從而使能源的利用率得到進(jìn)一步的提升，達(dá)到節(jié)能減排的目的。管殼式換熱器節(jié)能減排技術(shù)的研究和應(yīng)用主要集中在兩個(gè)方面：管程強(qiáng)化傳熱和殼程強(qiáng)化傳熱，本文對(duì)此進(jìn)行了簡(jiǎn)要的介紹，旨在進(jìn)一步推進(jìn)管殼式換熱器的節(jié)能減排技術(shù)應(yīng)用和研究。

關(guān)鍵詞：節(jié)能減排；換熱器；管殼式

中圖分類(lèi)號(hào)： TH21.5 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1673-1069（2016）20-162-2

0 引言

在一些高能耗的產(chǎn)業(yè)部門(mén)中都要應(yīng)用到換熱器，例如動(dòng)力、石油、化工等。由于化石能源的緊缺，我國(guó)在各行各業(yè)積極倡導(dǎo)節(jié)能減排，這也進(jìn)一步推進(jìn)了換熱器節(jié)能技術(shù)的發(fā)展。換熱器中應(yīng)用最廣泛的一種就是管殼式換熱器，管殼式換熱器的節(jié)能減排技術(shù)主要針對(duì)增大傳熱面積和提高傳熱系數(shù)兩個(gè)方面，通過(guò)強(qiáng)化傳熱技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排的目的。

1 管殼式換熱器的管程節(jié)能技術(shù)應(yīng)用

在管殼式換熱器中，強(qiáng)化傳熱，指的是通過(guò)對(duì)光管進(jìn)行加工，將其加工成為各種形狀的異形管，或者在管內(nèi)插入其他物體來(lái)進(jìn)行傳熱強(qiáng)化，這樣可以對(duì)傳熱面積進(jìn)行擴(kuò)展，使流體的湍流速度增加[1]。

1.1 管內(nèi)插入件

為了對(duì)管內(nèi)的單向流體傳熱進(jìn)行強(qiáng)化，可以使用管內(nèi)插入件的方法。常用的管內(nèi)插入件主要有靜態(tài)混合器、螺旋片、螺旋線圈、紐帶等。與光管相比，將麻花片紐帶加入到管內(nèi)，能夠增加55%-95%的管的換熱系數(shù)，70%-400%的摩擦系數(shù)。這是由于管內(nèi)液體從層流到湍流時(shí)的臨界雷諾數(shù)會(huì)因?yàn)楣軆?nèi)的插入物而降低，使其具有更好的強(qiáng)化傳熱效果。

1.2 針翅管

針翅管不僅能夠節(jié)省支撐板材料，而且能夠使傳熱面得到有效的擴(kuò)大，并使流體產(chǎn)生強(qiáng)烈的擾動(dòng)，有著良好的強(qiáng)化傳熱效果。針翅管可以作為油品換熱器中的換熱管，以代替?zhèn)鹘y(tǒng)的螺紋管和鋼管，其具有含塵高溫?zé)煔狻⒏哒扯冉橘|(zhì)、低傳熱膜系數(shù)，在余熱回收以及縱向流管束換熱中都可以得到有效的應(yīng)用[2]。

1.3 帶內(nèi)凸肋結(jié)構(gòu)管

帶內(nèi)凸肋結(jié)構(gòu)管的顯著特征就是管壁上存在有內(nèi)凸肋結(jié)構(gòu)，應(yīng)用比較廣泛的帶內(nèi)凸肋結(jié)構(gòu)管是橫紋管和螺旋槽管。通過(guò)對(duì)光管進(jìn)行擠壓可以制成螺旋槽管，通過(guò)無(wú)相變或有相變的傳熱，螺旋槽管的管壁條紋能夠使管內(nèi)外的傳熱系數(shù)得到明顯的提高。與此同時(shí)冷凝液膜也會(huì)產(chǎn)生附加的表面張力，從而使冷凝傳熱熱阻減少，橫紋管的制作比較簡(jiǎn)單，選擇普通圓管，通過(guò)滾軋的方式在管外壁制作出一些凹槽，并在管內(nèi)制作出凸起的環(huán)肋，凹槽的方向垂直于軸線。當(dāng)橫向環(huán)肋中有液體流過(guò)時(shí)，就會(huì)形成軸向旋渦，使邊界層的擾動(dòng)不斷增加，促使邊界層的分離，熱量傳遞比較有利。而且一個(gè)漩渦消失又會(huì)產(chǎn)生另一個(gè)渦流，從而對(duì)其強(qiáng)化傳熱作用進(jìn)行穩(wěn)定。

在冷凝、沸騰、對(duì)流的工況中都比較適用帶內(nèi)凸肋結(jié)構(gòu)管，這是由于其具有并強(qiáng)化傳熱的功能。單頭螺旋紋管的流體阻力略大于橫紋管，但其具有更好的傳熱性能。

1.4 縮放管

使用一次交替的多節(jié)漸擴(kuò)段和漸縮段能夠構(gòu)成縮放管。在管壁面收縮的作用下，流經(jīng)縮放管的液體壓力會(huì)出現(xiàn)周期性變化，從而產(chǎn)生渦流，渦流會(huì)對(duì)流體的邊界層進(jìn)行沖刷，減薄邊界層，從而達(dá)到增加傳熱系數(shù)的目的。而且管內(nèi)外單向流體的傳熱都可以得到有效的強(qiáng)化，在流阻損失不變的前提下，與光管相比，使用縮放管能夠增加70%左右的傳熱量。根據(jù)相關(guān)研究，縮放管擴(kuò)張段的局部換熱系數(shù)逐漸下降，其收縮段具有較強(qiáng)的憑據(jù)換熱能力。這是由于收縮段的流體加速，能夠強(qiáng)化傳熱，而擴(kuò)張段流體減速，會(huì)弱化傳熱。當(dāng)前的縮放管結(jié)構(gòu)中，收縮壓和擴(kuò)張段的長(zhǎng)度各占一半，由于擴(kuò)張段的比例較大，一定程度上影響了縮放管的總體傳熱效率。因此可以適當(dāng)?shù)臏p少擴(kuò)張段的長(zhǎng)度，增加收縮段的長(zhǎng)度，并運(yùn)用平直鏈面連接方式作為縮放連接處，對(duì)流體阻力進(jìn)行進(jìn)一步的減小[3]。

1.5 三維內(nèi)肋管

使用專(zhuān)門(mén)的工具和方法加工普通圓管的內(nèi)壁，能夠使其成為三維內(nèi)肋管，其是一種局部強(qiáng)化傳熱元件。三維內(nèi)肋管具有以下幾點(diǎn)傳熱機(jī)理：第一，三維內(nèi)肋管對(duì)管內(nèi)傳熱面積進(jìn)行了進(jìn)一步的擴(kuò)大；第二，三維內(nèi)管中的各肋都可以成為擾動(dòng)源，使流體流動(dòng)的紊動(dòng)度增加；第三，肋間的近壁面處流體會(huì)進(jìn)一步加速，從而使熱邊界層的厚度進(jìn)一步減??；第四，三維肋會(huì)受到流體的橫向沖刷，從而增大肋與流體的換熱系數(shù)；第五，三維內(nèi)肋管中的流體會(huì)形成周期性振動(dòng)。

通過(guò)相關(guān)實(shí)驗(yàn)表明，與光管相比，三維內(nèi)肋管的空氣換熱倍數(shù)為5.8倍，在相同工況下，三維內(nèi)肋管的管內(nèi)沸騰換熱是光管的2-5倍，凝結(jié)換熱是光管的3-5倍。然而其缺點(diǎn)在于具有比較復(fù)雜的加工工藝，而且清洗比較困難[4]。

2 管殼式換熱器的殼程節(jié)能技術(shù)應(yīng)用

支撐管束是管殼式換熱器中管束支撐結(jié)構(gòu)的主要作用，通過(guò)支撐管束能夠使有效地控制流體的流速和流行，避免流體誘導(dǎo)振動(dòng)而造成的管子失效。在管殼式換熱器中，殼程的關(guān)鍵部件就是管束支撐結(jié)構(gòu)。有兩種方式可以對(duì)換熱器的殼程傳熱進(jìn)行強(qiáng)化，分別為對(duì)傳熱管的管間支撐結(jié)構(gòu)進(jìn)行改變和對(duì)傳熱管的外表面結(jié)構(gòu)進(jìn)行改變。

2.1 管間支撐結(jié)構(gòu)

2.1.1 管子自支撐結(jié)構(gòu)

自支撐管能夠?qū)υ械墓苁芜M(jìn)行有效的簡(jiǎn)化，并使換熱器的緊湊度得到一定的提高，常用的自支撐管包括變截面管、螺旋扁管、刺孔膜片管等。管子主要是靠變徑部分、螺旋線和刺孔膜片進(jìn)行支撐，其能夠構(gòu)成殼程的擾流元件，使流體自身的湍流度增大，管壁上的流體邊界層也會(huì)遭到破壞，從而增強(qiáng)殼程傳熱。

2.1.2 空心環(huán)支撐結(jié)構(gòu)

依照一定的間隔將小直徑的金屬短管設(shè)置在換熱管束的同一界面上，以此來(lái)替代傳統(tǒng)的折流柵，其不僅能夠，對(duì)管束進(jìn)行支撐，對(duì)流體擾動(dòng)也有一定的促進(jìn)作用。將強(qiáng)化板和空心環(huán)支撐組合起來(lái)，可以形成花瓣管、低肋管、縮放管等，流體縱向沖刷產(chǎn)生的對(duì)流換熱得到了一定的強(qiáng)化，其具有壓降小、殼側(cè)空隙率大的優(yōu)點(diǎn)。

2.1.3 桿式支撐結(jié)構(gòu)

折流板換熱器中，橫向沖刷的流體可能會(huì)產(chǎn)生一定的振動(dòng)破壞，為了解決這一問(wèn)題，產(chǎn)生了桿式支撐結(jié)構(gòu)，其主要構(gòu)成部件是支承桿和折流柵。將一定數(shù)量的折流桿焊接在折流圈上，形成折流柵。折流桿會(huì)夾住管子，并保持流體的縱向流動(dòng)。折流桿換熱器的有點(diǎn)在于設(shè)備結(jié)構(gòu)緊湊，具有良好的抗振性能和較小的流體阻力，傳熱系統(tǒng)較大。

2.2 管外傳熱強(qiáng)化

表面多孔管具有良好的管外傳熱強(qiáng)化功能，由于加工方法的不同，表面多孔管又可以分為機(jī)械加工多孔表面管、化學(xué)腐蝕加工多孔表面管、燒結(jié)多孔表面管等類(lèi)型。表面多孔管具有粗糙的表面和多孔隧道，氣化核心增強(qiáng)，對(duì)于形成泡核沸騰更加有利，沸騰時(shí)更容易產(chǎn)生強(qiáng)烈的對(duì)流給熱。但是表面多孔管也存在一定的不足，綜合性能較好的是燒結(jié)多孔表面管，機(jī)械加工多孔表面管難以形成很小的空隙，從而不能有效地提高傳熱性能，化學(xué)腐蝕加工多孔表面管中的金屬很容易被氧化，容易掩蓋或阻塞微孔，影響使用壽命。

3 結(jié)語(yǔ)

在管殼式換熱器中應(yīng)用各種有效的節(jié)能減排技術(shù)能夠起到良好的作用，主要是對(duì)換熱器結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)或者對(duì)傳熱元件進(jìn)行強(qiáng)化。當(dāng)前該方面的研究大多屬于半經(jīng)驗(yàn)性和經(jīng)驗(yàn)性研究，但是這也存在一定的問(wèn)題，在強(qiáng)化傳熱的過(guò)程中可能會(huì)增加流動(dòng)阻力。因此在應(yīng)用節(jié)能節(jié)排技術(shù)時(shí)還要考慮對(duì)流體阻力的增加進(jìn)行有效的控制。

參 考 文 獻(xiàn)

[1] 唐安.一種水冷換熱設(shè)備除垢方法研究[J].船電技術(shù)，2016（02）.

[2] 尤天運(yùn).淺談?chuàng)Q熱器管束制作過(guò)程中的關(guān)鍵工序[J].中國(guó)新技術(shù)新產(chǎn)品，2013（22）.

[3] 金文凱.U型換熱器管束潛在質(zhì)量問(wèn)題分析及處理對(duì)策[J].中國(guó)化工裝備，2013（01）.

[4] 王尊策，何寶林，韓建荒，李森，李君書(shū).高溫?fù)Q熱器多場(chǎng)耦合數(shù)值模擬研究[J].化工機(jī)械，2013（02）.