摘 要：換熱器是一種實(shí)現(xiàn)冷熱流體之間熱量交換來滿足不同工業(yè)生產(chǎn)需求的通用裝置。作為一種通用熱量交換設(shè)備，換熱器在化工、航空航天、微電子、冶金、通訊、電力等諸多領(lǐng)域被廣泛使用。目前針對不同的工業(yè)生產(chǎn)所需條件，換熱器種類又分為混合式換熱器，蓄熱式換熱器和間壁式換熱器。其中間壁式換熱器又有管式和板式之分，管式換熱器作為市場占有量最大的換熱器類型在工業(yè)生產(chǎn)中具有不可替代的地位。根據(jù)熱管的結(jié)構(gòu)形式，人們又把管式換熱器分為管殼式，蛇管式，套管式和纏繞管式。文章結(jié)合相關(guān)資料，總結(jié)當(dāng)前人們對于管殼式換熱器的研究，并對管殼式換熱器的使用創(chuàng)新作出設(shè)想。

關(guān)鍵詞：換熱器;管殼式;熱力性能;發(fā)展現(xiàn)狀

前言：在復(fù)雜的工業(yè)制造過程中，難免會因?yàn)楦鞣N原因產(chǎn)生熱量，而有些熱量是我們生產(chǎn)所需要的，有些則是對生產(chǎn)不利的。針對熱量的去留和利用，換熱設(shè)備應(yīng)運(yùn)而生。換熱設(shè)備是過程（流程性）工業(yè)廣泛使用的一種通用工藝設(shè)備，如化工、煉油、冶金、食品、醫(yī)藥等。在電力系統(tǒng)中，換熱設(shè)備（含鍋爐）的投資占總投資的70%，在制冷系統(tǒng)中，蒸發(fā)器與冷凝器的質(zhì)量占總質(zhì)量的約70%，在化工廠中，換熱設(shè)備投資占總投資20%，質(zhì)量約占設(shè)備 總質(zhì)量的40%，檢修工作量占總檢修工作量的60%，在大中型煉油廠中，換熱設(shè)備投資約占總投資的35-40%， 各式換熱器的數(shù)量達(dá)300-500臺。由此可見換熱在工業(yè)生產(chǎn)中的重要性。由此，人們對換熱器進(jìn)行了深入的研究和思考，將換熱器按照結(jié)構(gòu)，工作原理等又進(jìn)行了細(xì)致的劃分。而在石油化工等領(lǐng)域常常需要對流體進(jìn)行加熱和冷卻，而在這過程中，兩種流體換熱但不允許接觸時(shí)（可能產(chǎn)生互溶或者反應(yīng)），需要使用間壁式換熱器才能確保換熱過程安全且高效。間壁式換熱器又細(xì)分為管式換熱器和板式換熱器。目前，市場占有量最大的應(yīng)屬管式換熱器。管式換熱器是最典型、最常用的間壁式換熱器，歷史悠久，占據(jù)市場主導(dǎo)地位。管殼式換熱器根據(jù)按傳熱管的結(jié)構(gòu)形式又分為：管殼式、蛇管式、套管式和纏繞管式（換熱器）。其中，管殼式換熱器由于傳熱面積大、傳熱效果好、適應(yīng)的溫度和壓力區(qū)間大且性能強(qiáng)的特點(diǎn)成為了實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用中較為廣泛的換熱設(shè)備[1]。

1. 管殼式換熱器概述

管殼式換熱器是發(fā)明至今應(yīng)用最為廣泛的一種換熱器。經(jīng)過一百多年的發(fā)展，其設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)和生產(chǎn)加工方法都已經(jīng)十分成熟，能夠滿足工業(yè)生產(chǎn)需要[2]。其中著名的是Bell-Delaware設(shè)計(jì)法和Tinker流路分析法[10]。

管殼式換熱器又稱為列管式換熱器，是最典型、最常用的間壁式換熱器，有立式和臥式之分，管殼式換熱器核心元件是換熱管，由管束組成傳熱面，管子兩端固定在管板上，管束 與管板再封裝在外殼內(nèi)，筒體兩端通過法蘭連接管箱。兩種流體流經(jīng)的傳熱面分為：管程和殼程。下面將詳細(xì)介紹一下管殼式換熱器不同的種類和用途。

2. 管殼式換熱器的結(jié)構(gòu)發(fā)展現(xiàn)狀

管殼式換熱器就是通過封閉殼體中管束的壁面進(jìn)行換熱的一種裝置。這種結(jié)構(gòu)的換熱器在制造與操作上都十分漸變，且制作時(shí)使用的材料可選擇性較多，所以其在現(xiàn)代化工領(lǐng)域中的應(yīng)用最為普遍。從其結(jié)構(gòu)形式看，管殼式換熱器主要包括殼體、傳熱管束、管板、折流板以及管箱等。其中換熱器的殼體通常為圓筒形狀，殼體內(nèi)部安裝并固定管束。換熱過程是依靠管束內(nèi)流動的冷熱流體實(shí)現(xiàn)。為了進(jìn)一步提升管程流體的傳熱系數(shù)，殼體內(nèi)被安裝上了擋板，擋板的使用大大增加了流體的流程和換熱時(shí)間，最終達(dá)到更好的換熱效果。在管束的排列上，換熱器通常采用三角形或正方形的排列方式，其中三角形排列更為緊湊，而正方形排列則更容易對管束進(jìn)行清理[3]。

隨著人們對管殼式換熱器研究的不斷深入，逐漸研究出多種類型的管殼式換熱器。例如固定管板式、浮頭式、U 形管式等，而這三種也是目前石油化工領(lǐng)域應(yīng)用最多的類型[3]。

固定管板式換熱器顧名思義是將管束固定在管板上，管板直接焊接在殼體上，并在殼體上安裝了具有能減少溫差應(yīng)力的u型膨脹節(jié)。作為最常見的換熱器類型，其結(jié)構(gòu)簡單，使用方便，承壓能力良好，造價(jià)相對較低，也具有方便保養(yǎng)的特點(diǎn)。但是缺點(diǎn)也比較明顯，容易因?yàn)閮?nèi)部產(chǎn)生較大熱應(yīng)力而導(dǎo)致?lián)Q熱器本身受損。所以一般會在此換熱器加上柔性元件來吸收這種傳熱溫差[4]。

U型管式換熱器安裝了可自由膨脹的u型管，簡化掉了u型膨脹節(jié)，其他的布置與固定管板式換熱器布置比較相似，其殼體內(nèi)部只有一塊管板且u型管的兩端都固定在了這塊管班上，而且可伸縮的管子也減少了熱應(yīng)力的產(chǎn)生。u型管式換熱器的管束可以抽出清洗但管程卻不能，所以此種換熱器適用兩側(cè)物料溫度差大、管程介質(zhì)不需要清洗而殼程介質(zhì)需要清 洗的場合[4]。u型管式換熱器結(jié)構(gòu)也十分簡單且造價(jià)相對較低，同時(shí)也擁有很好的承壓能力但受自身曲率半徑限制所以設(shè)置的管束有限，難易使管板被充分利用[3]。

浮頭式換熱器中，為了減少溫差應(yīng)力，設(shè)置了浮頭這一部件，這與固定管板式換熱器的明顯區(qū)別就在于它一邊是管板，一邊是浮頭。浮頭式換熱器的優(yōu)缺點(diǎn)十分明確：它具有兩程均可清洗的特點(diǎn)，而且浮頭不但可以拆接，更能從殼體內(nèi)抽出，所以管束與殼體在受熱后產(chǎn)生的形變不會相互約束，所以其產(chǎn)生的熱應(yīng)力幾乎是不存在的。而缺點(diǎn)則是結(jié)構(gòu)復(fù)雜成本高，外形較為笨重，泄露點(diǎn)多，對密封面要求較高且對其他使用條件要求較高。所以浮頭式換熱器適用于殼體與管束溫差相對較大的場合[3]。

3.管殼式換熱器的發(fā)展趨勢

雖然管殼式換熱器具有歷史悠久，結(jié)構(gòu)簡單的特點(diǎn)，但是人們對管殼式換熱器的研究仍然在與時(shí)俱進(jìn)，精益求精。顯然，傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的換熱器的使用已經(jīng)被時(shí)代所局限，要想進(jìn)一步提高換熱效率，就要在原本的結(jié)構(gòu)或者操作方式上做出實(shí)用的改進(jìn)。

比如在王明軍的文獻(xiàn)《一種管殼式換熱器綜合性能的優(yōu)化方法》中通過只對換熱器殼側(cè)和管側(cè)煙氣的流速予以改變來模擬計(jì)算出對應(yīng)組合工況下的換熱系數(shù)及殼側(cè)的壓降，通過比較換熱器綜合性能評價(jià)指標(biāo) k /Δp，即傳熱系數(shù) k 與壓差 Δp 比值的大小，得到最佳管側(cè)和殼側(cè)煙氣流速組合的實(shí)驗(yàn)分析得出結(jié)論：換熱器殼側(cè)的煙氣流速的變化對換熱器的平均換熱系數(shù)有著較大影響，煙氣流速的加大使得換熱器的換熱性能不斷提升。煙氣流速的大小對換熱器換熱性能至關(guān)重要，既要使換熱器有較高的換熱性能，也要使流動的阻力較小。同時(shí)，在換熱器基本結(jié)構(gòu)保持不變的條件下，若要換熱器能夠達(dá)到足夠好的綜合性能，可通過調(diào)節(jié)管側(cè)和殼側(cè)的煙氣流速得以實(shí)現(xiàn)，即最佳的煙氣流速組合為：管程煙氣的流速10.5 m/s，殼程煙氣的流速7.5 m/s[5]。

比如在杜小澤的文獻(xiàn)《蓄熱式管殼換熱器傳熱特性研究》中對蓄熱式管殼式換熱器的設(shè)計(jì)，物理模型，數(shù)學(xué)模型，邊界條件及初始條件并運(yùn)用FLUENT軟件進(jìn)行模擬分析，繪制云圖與圖像，經(jīng)過嚴(yán)謹(jǐn)?shù)姆治雠c計(jì)算，最后得出以下結(jié)論（1）傳熱流體流速對蓄熱過程影響較大，傳熱流體速度越快，石蠟完全熔化的時(shí)間越短。（2）提高相變材料導(dǎo)熱系數(shù)對換熱單元的傳熱能力起到很大強(qiáng)化作用，在流速為0.030、0.100、0.300m/s三種工況下，復(fù)合材料完全熔化的時(shí)間分別為純石蠟的0.46、0.40、0.33倍;放熱過程相同流速下，裝有復(fù)合材料的換熱單元平均傳熱系數(shù)比裝有純石蠟的平均傳熱系數(shù)高2倍以上。（3）增加相變層厚度可延長傳熱流體平均出口溫度維持的時(shí)間，在放熱過程中有效保證供熱品質(zhì)[6]。

在鄧斌，王凱，陶文銓的文獻(xiàn)《新齒型內(nèi)螺紋傳熱管蒸發(fā)性能研究》中通過對使用不同齒形的內(nèi)螺紋傳熱管的研究，最后發(fā)現(xiàn)：（1）對于瘦齒、交叉齒、光管及普通齒型這四種齒形，蒸發(fā)換熱系數(shù)均隨著冷媒流量的增大而增大，三種齒型內(nèi)螺紋傳熱管換熱系數(shù)均大大高于光管換熱系數(shù)且交叉齒管換熱系數(shù)最高。而交叉齒管內(nèi)壓降最大，其次是光管，瘦齒管比普通齒管壓降略有增加。（2）四種齒型結(jié)構(gòu)的內(nèi)螺紋傳熱管蒸發(fā)器換熱量均隨著冷媒流量的增大而增大，其中交叉齒管換熱量最大，瘦齒管稍差，普通齒管其次但均好于光管蒸發(fā)器。（3）交叉齒管，瘦齒管是性能較好的傳熱管，特別是交叉齒管，由于其汽化核心數(shù)較多，是一種較好的蒸發(fā)傳熱管。（4）進(jìn)行換熱器設(shè)計(jì)的時(shí)候要管內(nèi)、管外綜合考慮，提高了管內(nèi)換熱性能，也應(yīng)該相應(yīng)提高管外即翅片側(cè)的換熱性能[7]。

在楊勝，張頌，張莉，徐宏的文獻(xiàn)《螺旋扁管強(qiáng)化傳熱技術(shù)研究進(jìn)展》中通過對對無相變及相變工況下螺旋扁管傳熱特性的理論、實(shí)驗(yàn)及數(shù)值模擬研究綜述與討論，得出螺旋扁管作為一種新型高效換熱元件應(yīng)用于換熱設(shè)備，能夠顯著地提高傳熱效率，不僅提高熱交換系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性、可靠性和小型化水平，而且在降低工業(yè)設(shè)備投資及企業(yè)的節(jié)能降耗方面也具有重要意義的結(jié)論[8]。

在韓繼廣，吳新，周翼，詹岳的文獻(xiàn)《管內(nèi)插入扭帶及螺旋線圈的傳熱與阻力特性實(shí)驗(yàn)研究》中對以空氣為工質(zhì)的管內(nèi)插入扭帶與螺旋線圈的傳熱與阻力特性進(jìn)行研究，通過實(shí)驗(yàn)，得到了以下結(jié)論：（1）在管內(nèi)采用插入式扭帶，可使Nu提高32%～56%，f提高157%～208%，在管內(nèi)插入螺旋線圈，Nu提高70%～88%，f提高705%～808%，而在管內(nèi)插入兩者復(fù)合結(jié)構(gòu)，Nu提高117%～133%，f提高859%～893%，即管內(nèi)插入物能夠減薄或破壞流動邊界層，從而促進(jìn)傳熱，但同時(shí)也增加了阻力。（2）管內(nèi)插入扭帶和螺旋線圈后，PEC值呈緩慢下降趨勢，甚至小于1，而管內(nèi)插入扭帶與螺旋線圈復(fù)合結(jié)構(gòu)時(shí)，PEC都大于1，說明其傳熱綜合效果較好，可以在工業(yè)上應(yīng)用[9]。

總結(jié)：現(xiàn)如今，換熱器的類型和種類繁多，研究也越發(fā)深入，逐漸出現(xiàn)了許多新型換熱器。但是作為換熱器的“鼻祖”，管殼式換熱器的地位不可替代，在工業(yè)領(lǐng)域也是不可或缺。管殼式換熱器的設(shè)計(jì)理念和設(shè)計(jì)思想為新型換熱器的發(fā)明提供了基礎(chǔ)理念和思路，拓寬了學(xué)者們的視野。而換熱這一理念也孕育處傳熱學(xué)這一學(xué)科，讓更多的學(xué)者能進(jìn)一步了解和掌握熱量傳遞的這一科學(xué)思想并應(yīng)用于實(shí)際。通過不斷進(jìn)行科學(xué)創(chuàng)新，逐步實(shí)現(xiàn)更高效率傳熱;更快速度換熱;更穩(wěn)裝備導(dǎo)熱。為提高人類生活質(zhì)量、建設(shè)世界一流強(qiáng)國出一份力。

參考文獻(xiàn)：

[1]劉家慶，唐濱.管殼式換熱器設(shè)計(jì)淺析[J].上?；?，2021，46（03）：36-39.

[2]杜文靜，趙浚哲，張立新，王湛，季萬祥.換熱器結(jié)構(gòu)發(fā)展綜述及展望[J].山東大學(xué)學(xué)報(bào)（工學(xué)版），2021，51（05）：76-83.

[3]潘建東.管殼式換熱器的工藝設(shè)計(jì)方法[J].化工設(shè)計(jì)通訊，2020，46（10）：49-50.

[4]董舒露，周帥標(biāo).5種常用換熱器在化工裝置中的應(yīng)用探討[J].山東化工，2021，50（12）：150-152+155.

[5]王明軍.一種管殼式換熱器綜合性能的優(yōu)化方法[J].資源信息與工程，2020，35（06）：131-133+137.

[6]杜小澤，郭慧倩，王宇，楊立軍.蓄熱式管殼換熱器傳熱特性研究[J].熱科學(xué)與技術(shù)，2021，20（03）：209-217.

[7]鄧斌，王凱，陶文銓.新齒型內(nèi)螺紋傳熱管蒸發(fā)性能研究[J].制冷學(xué)報(bào)，2007（04）：54-58.

[8]楊勝，張頌，張莉，徐宏.螺旋扁管強(qiáng)化傳熱技術(shù)研究進(jìn)展[J].冶金能源，2010，29（03）：17-22+26.

[9]韓繼廣，吳新，周翼，詹岳.管內(nèi)插入扭帶及螺旋線圈的傳熱與阻力特性實(shí)驗(yàn)研究[J].熱能動力工程，2012，27（04）：434-438+514-515.

[10]Mukherjee， R. （1998）. "Effectively design shell-and-tube heat exchangers." Chemical Engineering Progress 94（2）： 21-37.

作者簡介：王恩澤（2001 07），男，漢族，吉林省四平市人，河南省鄭州市鄭州大學(xué)，能源動力工程專業(yè)本科生。