管壳式换热器节能技术分析

陈姜宏

（广东工业大学，广东广州 510006）

换热器是使冷热流体实现热量交换，以实现不同工艺需求的节能设备。换热器因其通用性广泛应用于化工、电厂、航空航天等领域。据统计，我国换热器产业市场产额在2010年为500亿元左右，且维持年均10%～15%的需求不断增长，2020年产额也已超过1 400亿元，其产业最大的核心市场为石油化工相关领域。鉴于电力、冶金、石油等行业对换热器稳定增长的市场需求与竞争，更加高效、经济、节能的换热器和强化换热技术已成为未来市场的核心。

当前国内外为实现节能增效在换热器领域开展了大量研究，重点聚集在对管程和壳程换热技术的强化。本文将从目前应用最广泛的一类换热器——管壳式换热器的管程节能技术以及其存在流动死区易结垢和流体流动阻力大易诱发振动等问题展开分析。

1 管程强化换热节能技术

在管壳式换热器中，管程换热节能技术的强化主要集中在对换热管内外表面进行加工优化或增添管内插入物，以此对换热面积进行扩展和增加流体的湍流强度来实现强化传热，进而达到节能目的。

1.1 螺旋槽管

螺旋槽管是一种带内凸肋的结构管，通过轧制、拉拔或滚压的方式在光管表面加工出圆弧形、锥形凹槽或者其他形状的槽纹而制成，见图1。螺旋槽管内壁形成凸起，外壁形成凹槽。当流体掠过管内壁时，凸起部位让层流介质产生与流动方向垂直的纵向涡流，增加附加扰动，促进紊流的形成，加速传热速率。当流体掠过管外壁时，凹陷部位也产生呈纵向的涡流，让层流态流体受扰形成湍流态，管内与管外传热速率同时提高。故在传热中螺旋槽管能起到双边强化的作用[1]。而螺旋管在进行凝结传热或管内沸腾时，其强化换热的效果更加显著。这是因为螺旋槽管凹凸的曲面结构容易使冷凝液受到表面张力而汇聚在凹槽中，冷凝液膜的厚度减薄，抗污垢性能得到提升，进而强化了传热。由文献[2]可知，在凝结换热中螺旋槽管换热器总体换热系数比光管提高了48.41%，而阻力损失只比光管增加了0.85倍，表现出优异的换热性能。此外，螺旋槽管换热性能会受到不同尺度参数的螺距和槽深的影响，同螺距下槽深增大能扩大传热系数，但也会附加对应的流动阻力。在低雷诺数、低黏性的流体工况下选择使用槽深较大的螺纹管，可以保证提高传热系数的同时，最大程度抑制流动阻力的增加，使整体换热性能得到提升。

图1 螺旋槽管

1.2 波纹管

为了解决管壳式换热器在涡流内容易产生积垢而影响换热器的寿命及传热等问题，国内外学者研究发明一种新型波纹换热管。波纹管也称波节管，是指截面轴向外形由波峰波谷组成的换热管[3]，见图2。其强化换热的机理为：当流体流经管内外时，流体遵循文丘里效应，压力与流速呈周期性变化，在波峰处流动截面缩小产生节流效应，在波谷处流动截面增大产生喷射效应，使得管内出现许多运动剧烈的漩涡，边界层膜受到漩涡冲刷而减薄，同时漩涡的冲刷作用也使得管壁面的污渍难以沉积。相比于螺旋管、光管有更加良好的防垢能力。燕山大学采用数值模拟[4]发现，在相同质量流量时波纹管相比直壁管对流换热系数提高了45.2%～51.1%，压强仅降低了2.6%～13.1%。另外，波纹管也存在一定的缺陷，其特殊结构使得管内外的应力分布不均，在周期性的循环压力下，容易使换热管发生疲劳失效，耐疲劳性能显著低于螺旋槽管和光管。可采用一些新型应力测量工具如电阻应变片，得到波纹管的应力分布情况，确定波纹管内外表面所受应力强度最大的部位，并对其部位表面进行化学处理和热加工提高抗疲劳强度即可。

图2 波纹管

1.3 多孔管

强化沸腾换热原理的关键就是在加热表面尽可能多地扩充汽化核心。多孔管正是依据此原理而设计，在加热部位表面上加工出多孔结构，其措施有：电镀法、普通机械加工法、烧结法、火焰喷涂法，其中以烧结法制造的多孔管传热性能最好[5]。加热面的多孔结构使得其外壁面积远大于内壁面积，传热效能大幅增加。多孔表面也为气泡的产生创造了良好的条件，气泡运动扰动愈加剧烈，使得沸腾传热的换热系数与热流密度急剧增大，同时其孔穴内不断产生的气泡也使得污垢难以积聚，抗垢性能提高。华东理工大学王学生等[6]用220mm多孔表面管与光滑管进行对比传热实验，结果显示多孔表面管的沸腾传热系数是光滑管的5～6倍，强化沸腾传热的效果显著。多孔管是一种可以替代传统直管的有效传热构件，已被广泛运用于石油、化工等领域，但其实现多孔结构的工艺技术一直受到国外限制。我国使用的烧结型多孔管大多依赖进口，研制出新型低成本、可批量生产的加工技术具有巨大的市场潜力。

1.4 翅片管

翅片管能够有效解决气-液、水-油等强化传热中存在的换热不平衡问题。翅片管是在圆形光滑管内表面上，采用各种机械加工的方法在使其内壁或外壁具有不同维数、不同表面形貌特征的换热管，其根据翅片所处位置的不同还可分为内翅片管和外翅片管。由强化传热的机理可知，强化传热过程要抓住主要热阻环节[7]，如气-液换热中，由于两介质之间换热系数差距很大，液体的换热系数一般情况下是气体的数百倍，故气体侧的热阻通常是最主要的。在传统换热器内，管壁两侧的传热面积基本一致，此时两介质的热阻差异导致了热量交换过程中出现失衡，使得传热过程受到削弱，造成热源浪费。翅片换热管的出现恰好解决了以上问题，它能够使热阻低的一侧面积增大，增加总的传热系数，同时具有体积小、占地面积小、维护成本低等优点。由文献[8]可知，在PVA维纶装置的实验中，采用内展翅片换热器每小时节水122t，节水率为32.1%，设备体积与占地面积分别仅为普通换热器的50%、20%。目前翅片换热管在制冷、制药等领域已得到了广泛的应用，但同时由于翅片的存在，使得污垢沉积变得难以清洗。目前已发展出了超声波除垢技术，可以将其应用在翅片管换热器中，达到一定的除垢效果。

1.5 螺旋扁管

在工程应用中还发展出脱离传统折流构件支撑，依靠自身特殊的管束结构实现自支撑功能的换热管——螺旋扁管。螺旋扁管横截面呈椭圆状，管道呈螺旋状且具有相同的螺距，依靠管道间外缘螺旋线点与点的接触实现自支撑。其几何结构使得管内外都形成了螺旋通道，流体沿着通道运动时，会产生周期性的纵向旋转和二次扰动，使流体充分混合、污物难以停滞、边界层受到冲刷而减薄，故热能的传递速率得到显著提升的同时具有良好的自清洁功能。由于壳程中减少了折流构件的支撑，壳程介质的流动方式由传统的折流运动转化为螺旋运动，流动阻力大幅减小。壳程流体存在流动死区和诱发管束振动等问题不仅得到有效解决，换热器所占空间体积也进一步节减。由文献[9]可知，工业实践中的螺旋扁管传热效率是光管的1.7倍，在同样热负荷下换热面积可节省63%。因此相比其他类型的换热管，螺旋扁管具有更加全面综合的性能，在大部分管壳式换热系统中都可使用。因螺旋扁管优异的传热和自清洁性能，可以让该类型换热器的应用领域进一步拓宽，如用来处理印染工厂热污水、锅炉电厂炉渣水等悬浮物高及含污量大的恶劣工况场合，解决传统换热器在此类场合运行中存在易污堵、易结垢等问题。

1.6 新型三维内肋管

三维内肋管具有非常优异的传热性能。它是在普通光管的内外表面上，经过多种工序加工出有一定规律的鳞片状或针刺状内外表面，以此加强流体扰动、破坏热边界层的形成和扩展换热面积。其换热效率是普通光束的2倍左右。由文献[10]可知，在三维内肋管基础上还发展出内插树枝状调控结构，与单一的三维内翅片管相比，其综合传热性能提高了15.7%～86.2%。通过与其他换热元件的合理搭配可以让换热效果更进一步提升。目前三维内肋管复杂的三维结构设计、传热机理与加工成型方法等领域还处于摸索阶段，未来有待进一步的研究。

1.7 管内插入物

管内插入物是实现节能换热技术另外一种常用的方法，因为其具有维护成本低、易于除垢、装拆便捷等优点而受到广泛的发展与应用。现今国内外已研究开发出多种内插件，如纽带、螺旋片、纵向涡流发生器、螺旋弹簧、多孔介质等。不同结构类型的内插件其强化换热的机理也有所区别，但总的来说强化传热的机理大致可分为[11]：产生涡流；形成二次流；中心流体与管壁流体的置换作用；分离流体，抑制边界层的发展。进而提高传热系数，实现高效节能。目前一些新型的内插件也在不断发展中，青岛科技大学杨卫民等[12]发明了一种具有自清洗与强化传热多重功能的“洁能芯”，并在火力核电厂进行了实践应用，结果显示其节能达到20%以上。从发展的角度来看，研究更加高效的新型管内强化传热元件，需要加强对传热元件的理论和技术的分析，如在遵循强化传热的基本原理及场协同原理前提下，采用计算机数值仿真模拟结合正交优化，得出元件的最佳结构参数，同时对不同流动状态下传热元件进行性能分析和场分析，得出不同场（如温度场、流场、压强场）之间的变化关系，最终合理设计出高效节能的内插件。

2 结语

管壳式换热器管程传热节能技术，随着科技的发展而不断推陈出新。管程节能传热从单一管型结构，到二维扩展表面结构，再到目前复杂的三维结构。新型换热器仅依靠单纯的实验研究已经满足不了对其复杂换热机理研究和结构设计，更多需要借助计算机新型模拟软件辅助研究如：Deform3D、AQAQUS有限元分析、fluent流体仿真、CFD计算流体动力学等。另一方面，如何结合多种传热强化技术，进行合理的组合优化，从而达到更好传热效果是未来节能技术发展的重点。如大小孔折流板搭载波纹管、三维内肋管内插树枝状元件等均表现出高效的综合传热性能。此外，一些能够实现复杂换热表面的新型加工方法和高效自清洁技术也应加以重视与应用，这不仅能够节省换热器材料、加工和维护的成本，还能够提升换热器整体的综合性能，实现高效的节能换热。