管壳式换热器改进的思路措施及发展方向.pdf

设备管理与维修2023 翼9（下）1管壳式换热器概述管壳式换热器又称列管式换热器，是指将管束封闭在壳体中，以管束壁面作为传热面的间壁式换热器1。管壳式换热器以金属材料制造，结构简单，操作可靠，其工作原理是一种流体在管内流动、另一种在壳侧流动，经换热管壁实现热量交换2。它由壳体、管束、管板、挡板、管箱等组成，其中，壳体是圆筒形，管束在其内，管束固定在管板上；经管内流动的管程流体和管外流体的壳程流体进行流体的相互换热；挡板安装在壳体内，因其能提高壳程流体速度，增大流体湍流度，用于提高管外流体传热分系数；管板上的换热管一般排列成三角形或正方形，前者较紧凑，管外流体湍流高，传热分系数大，后者便于清洗、对易结垢流体较适用。虽然在结构紧凑性、传热强度、单位金属消耗量方面，管壳式换热器与板式、板翅式换热器无法比拟，但具有适应性强、生产成本低、处理量大、适应高压高温的特点，而且设计、制造、加工方法均较完善，操作压力范围为真空到 41.5 MPa，操作温度为-1001100 益，传热面积广，在石油化工领域中应用较广3。为响应国家节能减排优化政策，应对管壳式换热器的结构、原理进行分析，并找出其常见故障进行针对性规避，强化传热理论及换热器技术发展。2改进思路及措施2.1易出现的故障及改进（1）管束振动。管束振动会引起管板和换热管间气孔及缺陷扩大，严重会击穿或疲劳开裂。换热管固有的频率影响着振动，而频率受管束结构、尺寸影响。应以预防振动为改进思路，主要措施有：减小跨距；使用大管径增加管刚性；加大管间距，减少碰撞；降低进出口流速，加支撑；增加管材厚度以提高刚性；增加折流板厚度，减少管壁和管孔间隙抑制振动等。（2）温差应力。管壳程流通间温差较大，多管程换热器间也如此。温差使管板两侧与换热管间产生温差应力，达到一定数值后会使金属发生塑性变形，进而导致泄漏。应以减小温差为改进思路，主要措施有：提高管板抗应力，增加管板厚度提高管板抗弯能力，考虑采用圆弧形弹性管板，以便于承压和吸收热膨胀温差；降低壳体轴向刚度，于壳体上靠近管板处设膨胀节，以满足变形协调量，降低管板和管子的拉脱力。2.2利用强化传热节能技术基础传热理论为选择管两侧内传热系数偏小的进行增大，以有效改进整体传热系数。因无法准确确认工况下是增大管内还是管外传热系数，所以强化传热节能技术应从管内、管外、管束整体强化传热类型入手，对每种类型进行细化，以合理选择搭配适应不同的工作环境，才能发挥更好的强化节能效果。2.2.1管程强化传热强化传热管是传热研究中的重点，管程强化传热技术可以把分为两种，即改变换热管形状和管内插物4。改变换热管形状是指改变外观形状，加大管程流体的传热面积和湍流速度，有伸缩管、螺旋槽管、波纹管、翅片管等形式，后来经改进、优化还出现了螺旋扁管、新型三维内肋管的类型。螺纹管换热器自1964 年开始应用，20 世纪 80 年代大量应用在南京炼油厂的减压装置5。（1）螺旋槽管有单头和多头两种形式，是经光滑管轧制而成，对管内液体沸腾、气液体传热、管外蒸汽冷凝进行了强化。管上的螺旋沟槽能让管内壁处流体产生旋转流及二次流，可有效减薄边界层，使壁面热阻降低，强化传热。随着计算机模拟技术的开展，螺旋槽管强化传热得到了大量模拟研究数据，在湍流工况模拟情况下，比光管、螺旋槽管的努赛尔数（Nusselt number）和阻力系数有明显增大，分别达到光管的 1.62.1 倍及 1.54.5倍，流速增大换热器性能也明显增大。对螺旋槽管的污垢模拟研究显示，热阻是光管的 52%88%、努赛尔数是光管的 1.8 倍。在流体速度增高 0.5 m/s 时，污垢热阻系数降低了 10%20%，对避免污垢堆积有明显作用。（2）翅片管是由光管经焊接或胀接连接的翅片，不仅加大了传热面积，还加大了扰动，有利于提高雷诺数、减少边界层厚度，对壳程热阻大的情况作用明显。翅片形状有矩形、T 形、花瓣形、钉翅形等，其中钉翅可利用翅片支撑、无需折流板，因此提出了异形钉翅管。有试验显示，在光管外错列设置多个钉翅的异形钉翅管传热系数是光管的 100 倍、努赛尔数是光管的 65105倍，其传热效果较佳。（3）螺旋扁管是依靠自身的管束结构以自支撑功能的换热管。横截面为椭圆，管道为螺旋状，等距螺距，经管道间外缘螺旋线点的接触以自支撑。管内外均为螺旋通道，流体沿通道产生周期性纵向旋转二次扰动，以充分混合流体，能减少污物及边界层摘要：管壳式换热器是一种热加工过程设备，广泛应用于发电、制冷、炼油、食品加工、环保、化工、新能源等行业，对经济效益和社会效益影响较大。在节能减排的背景下，分析管壳式换热器改进思路和发展方向，为其深入研究提供参考。关键词：管壳式换热器；改进思路；发展方向中图分类号：TQ053.6文献标识码：BDOI：10.16621/ki.issn1001-0599.2023.09D.52管壳式换热器改进的思路措施及发展方向宋立法，董林峰（山东鲁润热能科技有限公司，山东济南250305）骳髆髕设备管理与维修2023 翼9（下）冲刷减薄，进而提升热能传递速率。因壳程折流构件减少支撑，介质流动为螺旋，减小了流动阻力。使流动死区和管束振动减少，也节减了热换器占用空间。有研究显示，工业上螺旋扁管传热效率为光管的 1.7 倍，可节省热面积 63%。它比其他热换管的综合性能更强且自洁性能好，可用于印染厂热污水或锅炉电厂炉渣水等易结垢场合。（4）新型三维内肋管的传热性能较好，是在光管基础上经多种加工工序而形成的有规律性的内外表面鳞片状或针刺状。可加强流体扰动、破坏热边界层形成，进而扩展换热面积。有研究显示，新型三维内肋管的换热效率是光管的 2 倍，并在其基础上内插树枝状调控结构，能提高综合传热性能 15.7%86.2%。与其他换热原件搭配还能进一步提升换热效果。但目前因新型三维内肋管的结构设计较复杂，还需对其进行进一步研究。管内插物是实现节能换热技术的常用方法，具有装拆方便、易于除垢、维护成本低的特点。国内外经过研究已开发出多种内插件，包括纽带、螺旋片、螺旋弹簧、纵向涡轮发生器、多孔介质。不同的结构类型的内插件换热机理也有所不同，按其总的强化传热机理可分为形成二次流、产生涡轮、分离流体、抑制边界层发展、中心流和管壁流体置换。经过传热机理的改变提高传热系数和性能，进而达到高效节能目的。当前对一些新型内插件的研究在不断继续，青岛大学的学者对“洁能芯”（一种管壳式换热器强化传热与自清洁技术）在火电厂、核电厂的应用实践进行研究，结果显示，“洁能芯”的节能效果能提高 20%，其具有较强的自清洁能力和传热多种功能。从换热器不断改进和发展的思路看，研制高效、新型的管内强化热元件需加强对传热元件理论及技术的分析，在遵循强化传热的原理基础上，应用协同原理，经计算机仿真模拟结合正交化，以获得最佳的元件结构参数。另外，应加大分析不同流动状态下、不同场下的传热元件性能，以获得各种流场、温度场、压强场的变化关系，进而设计出更加节能、高效的内插件。2.2.2壳程强化传热当壳程介质为液体时，常规的弓形折流板换热器不仅流动阻力较大，振动也较大，能量会受到损失。所以，改进的方向及重点应为壳程传热强化。因此，诞生了异形折流板，如螺旋折流板、螺旋叶片、整圆折流板、花隔板等，其中螺旋折流板的改善效果最明显6。它是 20 世纪 80 年代时由美国人于提出，1998 年我国第一台单壳程螺旋折流板应用到抚顺石油二厂，由多块椭圆扇形平板首尾连接，平面内角 25毅40毅，形成螺旋面状，使壳程流体呈现出螺旋流动。与弓形折流板换热器相比，壳程压力损失较小、传热系数高。有研究通过 PIV 测速螺旋折流板换热器，结果显示，壳程流体冲刷换热管和折流板的角度为斜向，管束振动有所降低。管间流体顺着轴线波动速度能使流体扰动增加，降低边界层厚度，有利于传热系数增大。但螺旋折流板结构无法实现无缝连接，部分流体在缝隙处平行轴线流动，不利于螺旋流动及传热。学者对此进行了进一步研究，通过对连续折流板换热器数值模拟，获得了连续螺旋折流板螺旋节距、传热效果变化规律关系、螺纹节距间的计算关系。另外，有学者研究了高温、高压下单壳程螺旋折流板结构受倾角限制，提出了适用范围更广的双壳程螺旋折流板。2.2.3整体强化传热整体强化传热可通过改变管束实现，加工简单、常用于更新设备，强化效果好，主要有扭曲扁管换热器和交错扁管换热器。扭曲扁管换热器把圆管轧制成椭圆形的横截面，外缘为螺旋线。管束中不设置折流板，换热管间由外缘线进行点支撑。管束由扎箍固定，形成紧密螺旋流道。因管程和壳程均为螺旋流，能旋转形成二次流，不仅能提高流体湍流程度，还能预防污垢堆积，减薄边界层厚度。交错扁管换热器经圆管压辊滚压，间隔一定节距制成90毅扁圆形截面，组成管束，截面长轴相互支撑为壳程扰流元件。这种换热器也不设置折流板，流动死区和成本明显减少。在轴线管型变化下壳程流体产生复杂流动，特别是变化处湍流交错，搅动性较强，有利于传热强化。壳程流体冲刷管壁起到清洁作用，能有效减少污垢堆积。换热管间有点接触，壳程流体流动为纵向，同管内的流体相互产生逆流，既提高了换热管效率，还能克服振动、强化传热。3改进发展方向当前国内外已对换热器领域进行了大量研究，重点多聚集强化管程及壳程的技术方面。为进一步强化换热器的性能，实现节能环保效应，应加大对其细化分析，从管程节能技术、结垢、流动阻力上进行深入研究。（1）改变流体状态，增加流速。设计中，可增加管程、壳程分程数以促进流速、流程长度、扰度。选择管程时，在确保压降和避免腐蚀基础上增加流速。壳程加设挡板能提高流速，让流体流经所有管面。改变流体冲刷角度以增强管外传热系数，流速增大可改变流体状态、提高湍流程度、增加传热性能，但应注意权衡流动阻力，选择适宜流速。（2）改变换热面积。可以根据换热介质性质和工艺要求等，选用异形管、加肋片管、翅片管等。（3）定期清洗，减少污垢热阻。经过一段时间使用后，换热器管壁会堆积污垢、不利于传热，可进行机械、化学清洗或酸洗、碱洗，减少污垢热阻。4总结综上所述，管壳式换热器运行涉及管内、管外、管程等，可以根据换热器的发展历程、结构、强化传热机理，在节能技术方面进行适宜的改进设计，以改变流体流动、增加流速、改善换热面，进而实现管内、管外对流传热系数的提高，强化传热效率。参考文献1殷小明.管壳式换热器壳程流动传热特性及其影响因素研究进展 J.化工装备技术，2022，43（5）：15-19.2王争，董敏.基于 Fluent 的管壳式换热器进气管组件结构优化数值模拟 J.现代信息科技，2022，6（20）：111-115.3王中原，傅瑶，邹杨，等.管壳式熔盐换热器折流板开孔数值分析 J.工程热物理学报，2022，43（10）：2790-2797.4高怀，王艳飞.化工用管壳换热器强化传热工程计算与分析 J.浙江化工，2022，53（9）：30-33.5陈姜宏.管壳式换热器节能技术分析 J.化工设计通讯，2022，48（9）：38-40.6仇放，魏小平，毛芹，等.大流量低压降管壳式换热器设计及优化 J.压力容器，2022，39（8）：59-65.编辑吴建卿骳髆髖