换热器强化传热技术

管壳式换热器在化工、石油、动力、冶金、制冷、原子能、造船、食品等工业部门中有着广泛的应用。近40年来,国内外对管内强化传热进行了大量的研究,取得了丰硕的成果,目前已有的强化传热管技术不下百余种。相比之下,壳程强化传热方面的研究远远没有管程研究的广泛和深入。直到20世纪70年代,壳程强化传热技术才开始受到重视,并取得了较大进展。

　　可拆式板式换热器壳程强化传热的途径主要有2种:一种是改变管子外形或在管外加翅片,即通过管子形状和表面特性的改变来强化传热,如螺纹管、螺旋槽管、外翅片管等强化传热管技术;再一种是改变壳程挡板或管间支撑物,以减少或消除壳程流动与传热的滞留死区,使传热面积得到充分的利用。第一种途径与管内强化传热技术机理一致,已有很多文献报道。管壳式换热器壳程挡板或管束支撑物的发展表现为折流板的改变,其目的是将泵功最大程度用于增强传热方面,而不是消耗于管间支撑物。现有的支撑形式有板式支承、杆式支承、空心环支承和管子自支承。

　　1板式支撑结构

　　传统的管壳式换热器采用单弓形折流板支承,壳程流体易产生流动死角,传热面积无法被充分利用,因而壳程传热系数低、易结垢、流体阻力大。并且当流体横向流过管束时,还可能使管子产生诱导振动,破坏管子及其与管板连接的可靠性。因此,为了消除它的弊端,近20年来出现了许多新型的壳程折流板支承结构,如多弓形折流板、整圆形板、异形孔板、网状板、弓形折流板加平行分隔板、螺旋折流板等。这些新型折流板支承结构的共同特点是尽可能地改善壳程流体流动和传热死区,降低壳程流体流动阻力,而且管束的抗振性也能得到增强。

　　1. 1双弓形及三弓形折流板

　　双弓形折流板在换热器壳侧将流体分成两股平行束,横向流动的长度(即横流经过的列管数)大致为具有同样缺口的单弓形折流板的一半,与具有相同折流板间距和缺口的单弓形折流板相比,双弓形折流板的压降为可比设备相应值的30 %～50 % ,而传热系数是可比设备相应值的60 %～80% [1 ]。类似于双弓形折流板,三弓形及多弓形折流板则在换热器壳侧将流体分成三股或多股流。

　　1. 2整圆形折流板

　　为了尽可能地改变弓形折流板支承的横向流动为平行于管子的纵向流动,消除滞留死区,提高流体在壳程的流速,在电站和石油化工中,出现了整圆形折流板。最初出现的整圆形折流板在板上钻大圆孔,既让管子通过,又有足够的间隙让流体通过。管内外流体总体呈纵向流动,传热温差推动力大,并且由于管壁与孔板之间的圆环间隙通道对流体可产生射流作用,使流体离开空口很快就形成湍流,使壁面不易结垢,壳程传热得到强化。但整圆形折流板增大了换热器壳体的直径,并且由于缺乏管子支承结构,这种换热器的管束抗振性能也很差。为改进大管孔整圆形折流板的不足,在管孔之间开小孔,使传热介质由小孔通过折流板,这样就不用增大壳体的直径了。带小孔的整圆形折流板在管孔与管子之间的间隙内很容易积垢,引起腐蚀。为了弥补这一缺陷,出现了矩形孔、梅花孔等异形孔的折流板结构,这种折流板既能支承管子,又能让传热介质流过折流板,当介质流过管孔时,能产生射流,对管子有冲刷和自清洁作用,从而消除了管子结垢和垢下腐蚀。异形孔板虽然优点很多,但加工制造相对困难,费用偏高,因此工业上又出现了网状整圆形折流板。其折流板为整圆,以每四个同一行的相邻折流孔为一组,在小桥处铣通,壳程流体从铣口通过折流板,成全面积均匀纵向流动[2 ]。

　　1. 3弓形折流板加平行分隔板

　　在单弓折流隔板管壳式换热器的两折流隔板间平行插入了一块或数块平行流分隔板,可将原通道改为多股平行通道,将原单股流分为多股平行流。这样,就能有效控制板间回流死区的涡尺度,使板间流场得以均化及管间流阻得以减少。在Re不太高的情况下加两块平行流分隔板后,能在一定程度上控涡均化壳侧流场,并且能起到较好的强化传热效果。带平行流分隔板的弓形隔板换热器的强化传热综合性能评价因子在测量的Re范围内,其值约为1. 20～1. 15左右,强化因子随Re数的增加而减小,这种强化传热技术适合在中低雷诺数下采用[3 ]。

　　1. 4螺旋折流板

　　螺旋折流板是将传统的垂直弓形板换成螺旋状或近似螺旋状的折流板,折流板与换热器壳体横断面有一个倾斜角度,使得流体在壳程沿螺旋通道流动。按流道多少螺旋折流可分为单头或双头。