管壳式换热器管束结构优化发展概述

郝国永, 张莹莹，高 磊，于宵航，吴亮

（1. 辽宁石油化工大学，辽宁 抚顺 113001； 2. 中国有色（沈阳）冶金机械有限公司，辽宁 沈阳 110141）

管壳式换热器管束结构优化发展概述

郝国永1, 张莹莹1，高 磊1，于宵航2，吴亮1

（1. 辽宁石油化工大学，辽宁 抚顺 113001； 2. 中国有色（沈阳）冶金机械有限公司，辽宁 沈阳 110141）

总结了近年来国内外新型管壳式换热器的管束结构发展进展，从管程、壳程两个方面介绍了管壳式换热器管束结构改进及强化传热机理，并且介绍了几种新型结构在实际生产中的成功应用及其强化传热特点。最后为换热器管束结构发展提出建设性意见。

管壳式换热器；管束结构；强化传热

实现把一种温度较高的热介质的热量传递给另一种温度较低的冷介质的装备叫换热设备[1]。换热设备是原子能、化工、石油、医药等诸多工业部门应用广泛的工艺设备及节能设备[2]。传统弓形折流板换热器固然有其优点，但其（压降大、存在流动死区、震动大等）缺点在新的节能减排形势下尤为突出，严重限制了自身的生存发展空间，同时也推进了具有新型管束结构的高效、节能换热设备研发。

1 国内外研究机构及研究现状[3]

20世纪60年代在传热工程方面国际上出现两大研究集团。即 1962年成立的美国传热研究公司（Heat Transfer Research Inc，简称HTRI）。其在传热机理、测试技术及振动等领域做出巨大贡献。还有 1968年成立的英国传热及流动服务公司（Heat Transfer & Fluid Flow Service，即HTFS）。此公司针对传热与流体进行了长期研究。

国内高校及研究机构取得了丰硕成果。华南理工大学开发出纵横管、螺旋槽管等用于强化传热；清华大学在板片传热方面进行了深入研究；兰州石油机械研究所研制出折流杆换热器、板式换热器等一系列高效换热器。这些成果为中国炼油、化工工业的安全快速发展起到决定作用，也促使中国在传热技术领域跨入国际先进行列。

2 强化传热理论的工程应用

强化传热总目标概括有:在限定换热量基础上减小换热器尺寸；提高现有换热器的性能；减小流动工质的温差。根据强化传热理论[4]，在管两侧只有增大传热系数小的一侧才能有效提高总传热系数。现实中无法确定所有工况，只能增大管外或管内传热系数来获得最高总传热系数。新开发的强化传热结构已拓展出许多类型，其各自的强化效果及适用的工作环境具有不同的特点。

2.1 换热设备的强化传热途径[5]

传热基本方程为Q=K×A×Δtm，增大传热系数K、传热面积A和平均温度差Δtm，均能提高传热速率Q。因此，工业设计和生产实践中大多从这三方面考虑强化措施,可归结为从换热器管束的管程和壳程两个方面进行实施的，且其功能的实现很大程度上由管束管程和壳程的结构形式决定。

2.2 管程强化传热的新结构

人们针对管程的研究集中在高效强化传热管这一研究课题上[6]。管程强化传热技术分为两方面：一是利用管内插物增强管程湍流度，例如管内插纽带、绕丝花环等；另一种是增大管外或管内表面积来增大管程湍流度或传热面积，如翅片管、波纹管、螺纹管等；

（1）螺纹管换热器

螺纹管（如图 1）属于外扩展表面类型，是用滚模沿径向滚压管子，使管子表面出现整体低翅片来扩大传热面积。在强化管内液体的沸腾、管内气体或液体的传热方面性能优良[7]，是目前推广较好、用量最大、技术成熟、使用场合多的强化传热管。通过对螺纹管污垢的试验研究，曾力丁等[8]发现螺纹管的螺旋型沟槽使得内壁面处的流体产生了二次流，可预防或减轻污垢的堆积，降低壁面热阻，强化传热。

图1 螺纹管示意图Fig.1 Schematic of threaded pipe

另外螺纹管在冷轧过程中细化了金属晶粒，破坏了金属平行纤维的形状，使得腐蚀介质难以深入晶间形成晶间腐蚀。在南京炼化厂二套常减压装置渣油与原油换热的场合中，二台同规格的换热器做了对比。光滑管使用九个月后部分换热管因腐蚀穿而报废，而螺纹管使用一年零八个月因传热效率下降而拆开检查，发现进口部位的折流板、防冲板、定距管已被完全腐蚀掉，而螺纹换热管没有腐蚀现象。这说明螺纹管这一强化传热结构具有良好的抗腐蚀性能。

（2）内插物换热器

管内插入件是增强管内单相流体传热效果的重要方法。管内插物样式很多，如螺旋片、螺旋线、纽带(如图2)等。换热管内插入纽带产生涡流，增强中心位置和近壁面流体混合来强化传热。炼油生产中高粘度流体的传热经常出现问题，由于原料粘度高易结垢，不适用于板式换热器。徐天华[9]提出一种新型管内插物—交叉锯齿带以解决高粘度流体的传热问题。

某油制气装置采用重油裂解制管道燃气，由于重油在管内易结垢，后期预热器换热效率明显降低，管外加热蒸汽常常达不到设计温度和压力，影响制气的质量和产量。利用交叉锯齿带管内插物对设备改装后，运行6个月，换热器仍运转正常，操作弹性很大。改造好的单台预热器，其重油出口温度比改造前多台运行提高很大，压降增加小，满足工艺要求。所以管内插入物在强化高粘度流体传热方面应用前景广阔。

图2 管内插纽带示意图Fig.2 Schematic of tube inserted ties

（3）翅片管换热器

翅片管的基管有圆管、扁平管和滴形管等，翅片的形状有T形，矩形等，矩形翅片管结构如图3。椭圆管相对于圆管来说，可以使气流经过翅片时产生扰动，破坏其边界层及可用有紊流式翅片提高换热系数。

图 3 矩形翅片管示意图Fig.3 Schematic of rectangular finned tub

国内科研人员提出一种异型钉翅管[10]。其结构特点是在光管外交错排列钉翅。试验结果显示，它的传热系数和怒塞尔数对应提高到光管的 100倍和65～105倍。吴峰[11]对内翅片环形管内高粘度流体的强化传热进行数值模拟，发现在层流及湍流范围内油类的综合传热因子保持在 1以上，表面内翅片环形管对高粘度流体在宽Re范围内有良好传热效果。

2.3 壳程强化传热新结构

换热器壳程内流体流动形态对其性能影响较大。换热器总传热系数受壳程流体换热系数影响很大，故研究壳程换热机理对提高性能与减少换热器能耗有重要意义[12]。

折流板作为管壳式换热器壳程的主要结构，它的形状及排布形式决定了壳程内流体流动情况，即进行横向流、纵向流或螺旋流[13-14]，故决定了壳程的传热效率及压降。因此研究机构针对管壳式换热器壳程强化传热的研究主要集中在折流板上。后期开发出了螺旋折流板换热器、错开窗折流板换热器、螺旋叶片折流板换热器等具有新型折流板结构的产品，且有效地降低了传统弓形折流板壳程流体流速变化梯度过大而引起的管束振动影响，强化了整个管束对流体的分流作用，降低振动危害[15]。

（1）螺旋叶片换热器

2011年国家知识产权局授予中国石化工程建设公司和抚顺化工机械设备制造有限公司一实用新型专利—— 一种螺旋叶片折流板换热器[16]。其折流板由若干组螺旋叶片组成，每组的螺旋叶片沿壳体轴线均匀分布，每片螺旋叶片均以某一直角边为轴向后倾斜某一角度，沿轴线整体上形成一连续的360°螺旋通道。这种新型折流板结构可以使壳程介质流动状态程螺旋状（如图4），流体湍流程度加剧，防止了短路，改善了螺旋折流板换热器壳程流体短路和由于在径向产生速度梯度而导致壳体轴线一定范围内传热效率低的问题，消除了流动死区，增加了壳程传热效率。

图4 螺旋叶片折流板换热器壳程流体流动方向示意图Fig.4 Schematic of flow direction in shell of helical blade baffle heat exchanger

（2）折流杆换热器

折流杆换热器的管束结构特点是在每根换热管四个方向上，用折流杆加以固定，折流杆焊在折流圈上而形成折流珊，一组有四个折流圈，换热管的四个方向被紧固。其整体结构像一个大箅子具有良好防震性。其结构形式如图5所示。

图5 折流杆换热器管束支撑结构示意图Fig.5 Diagram of tubes supporting structure in rod baffle heat exchanger

折流杆换热器壳程流体流动阻力是传统弓形板管束阻力的1/7～1/10，但流速是弓形折流板板换热器的2～3倍。王英双等[17]对一种新型粗杆-细杆组合式折流杆换热器进行理论设计和流动传热数值模拟研究，发现该新型组合式换热器与旧式对流换热系数相当，但流动阻力远远小于旧式换热器，所以综合性能更优，并且Re越高，优势越明显。

20世纪90年代国内换热器向大型化发展，管束振动这一问题越来越突出。以燕山乙烯一台直径Φ2 000的水冷器为例，如按常规设计，壳程介质进口处管束诱导振动指数可达到 7，超过标准规定。而采用折流杆结构设计可很好的控制管束诱导振动指数。并且折流杆换热器壳程内流体流动状态为顺流，防震效果最好，流体通过杆时形成卡曼涡街[18]，实现湍流而强化传热。目前该类换热器已在国内冷凝、沸腾介质的换热器中应用，在压缩机级间冷却场合也得到普遍应用，效果非常明显。

（3）螺旋折流板换热器

螺旋折流板换热器设计构思是从改变折流板布置方式角度提出的，折流板设置成近似的螺旋面，在每个螺旋周期内壳侧流体受离心力和向心力作用形成迪恩涡二次流[19]而大大降低壳侧的流动阻力并强化传热。利用PRO/E建立螺旋折流板换热器管束三维模型结构（如图6）。研究表明，螺旋折流板使流体在壳程侧程连续柱状螺旋流动，消除了传统折流板换热器的流动“死区”。涡流与管束换热界面边界层相互作用，大幅增加了湍流度，避免了弓形换热器的“死区”问题，降低了壳程压降，提高了壳程膜传热系数，同时有效缓解了壳程管束振动问题。

图6 螺旋折流板换热器管束三维示意图Fig.6 Dimensional schematic of tubes in helical baffle heat exchanger

谢洪虎等[20]利用数值模拟技术对连续折流板换热器进行研究，获得了其折流板螺旋距与螺旋折流板管壳式换热器强化传热效果变化的规律的关系及最佳螺旋节距。得出了优化的螺旋折流板换热器壳程结构,扩大了螺旋折流板换热器应用范围。

3 结束语

多种新型强化传热结构逐步成功开发，并且对部分现有设备进行改装，表现出了令人满意的性能并逐渐取代大量旧式换热器。在今后新型强化传热结构发展中，应对现有新型结构继续开发其应用潜力，对于某一类型结构要努力完善为一个产品系列；研究综合应用管程、壳程新结构的新方法来获得管束整体更好的性能；新结构的研发不可止步于现有成就，可采用新的研究思路（如使用不同设计软件进行设计和研究）；增加与国外同行交流，学习并引进国外新型结构的研发技术。这将极大加速国内换热器的更新换代，缩短与国外的技术差距。

［1］金国梁.换热器及配管的设计[M].哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社,1987：148-199.

［2］钱颂文,主编.换热器设计手册[M].北京：化学工业出版,2002.

［3］秦叔经,叶文邦,等.换热器[M].北京：化学工业出版社,2003：13.

［4］史美中,王中铮.热交换器原理与设计[M].南京：东南大学出版社,2009:256.

［5］金有海,刘仁桓.石油化工过程与设备概论[M].北京：中国石化出版社,2008：149.

［6］Bruce Tilton, Robert Sigal, Umesh Ratnam. Designing and Rating Process Heat Exchangers [J]. Chemical Processing,1998,61（4）：65-76.

［7］冯国红,曹艳芝,郝红.管壳式换热器的研究进展[J].化工技术与开发,2009,38（6）：63-66.

［8］ZENG Li ding, ZHU Dong sheng, QIAN Song wen, etal.Characteristics of Fouling in Spirally Indented and Experimental Investigation of Fouling Prevention [J]. Journal of Shaanxi University of Science & Technology,2008,26（2）：12-15.

［9］徐天华.用管内插入物强化液体传热[J].化工炼油机械,1984,（06）:20-25.

［10］杨传健,江楠,廖晓懿.新型高效强化传热元件—钉翅管的传热性能[J].石油化工设备,2007,36（2）：15-17.

［11］吴峰.内翅片环形管内高粘度流体强化传热数值模拟[J].石油机械,2010,38(5):19-22.

［12］董其伍,刘敏珊.纵流壳程换热器[M].北京：化学工业出版社,2007.

［13］Peng B,Wang Q W, Zhang C, et al. An experimental study of shell-and-tube heat exchangers with continuous helical baffles [J]. Journal of Heat Transfer, 2007,129: 1425-1431.

［14］Lei Y G, He Y L, Rui L, et al. Effects of baffle inclination angle on flow and heat transfer of a heat exchanger with helical baffles[J].Chemical Engineering Process, 2008, 47 (12): 2336-2345.

［15］冯刚.换热器管束流体诱导振动机理与防震研究进展[J].化工进展.2012,31(3):508-512.

［16］辽宁石油化工大学、抚顺化工机械设备制造有限公司、中国石化工程建设公司．一种螺旋叶片折流板换热器:中国,ZL 2010 2 0531082．X[P]．2011-06-15.

［17］王英双,刘志春,黄素逸,等.新型折流杆换热器的流动与传热数值模拟[J].化工进展,2010,29（7）：1205-1208.

［18］Grover L K, Weaver D S. Cross-flow induced vibration in a tube bank-vortex shedding[J]. Journal of Sound and Vibration, 1978, 59:263-276.

［19］王伟晗,王清成,陈亚平.三分螺旋折流板换热器内二次流分布与强化传热关系分析[J].化工进展,2013,32(12):2837-2841.

［20］谢洪虎,江楠.连续型螺旋折流板管壳式换热器强化传热机理的数值模拟[J].石油化工设备,2009,38（增刊）：6-11.

截面系数查询与计算差：

4 结束语

通过以上分析和计算结果得到一个启示，对于传统设计领域，应该大胆积极地进行新手段、新方法的探索，这将大大提高设计计算的效率和准确性。

参考文献：

［1］唐永进．压力管道应力分析[M]. 北京：中国石化出版社，2007．

［2］李维特. 热应力理论分析及应用[M]. 北京：中国电力出版社，2004.

［3］潘家华．油罐及管道强度设计[M]. 北京：石油工业出版社，1986．

［4］苏翼林. 材料力学（上册）[M]. 北京：人民教育出版社，1981.

［5］查克勇，杨绪运，何仁洋等. 管系应力计算在工业管道检验检测中的应用[J]. 管道技术与设备，2010 (1)：66-72．

［6］GB 50253—94．输油管道设计规范[S]．

［7］徐芝纶．弹性力学（下册）[M]. 北京：人民教育出版社，1982.

［8］康博．AutoCAD2002/2000 Visual LISP开发指南[M]. 北京：清华大学出版社，2001.

Development of Structure Optimization of Tube Bundle in the Shell and Tube Heat Exchanger

HAO Guo-yong1，ZHANG Ying-ying1，GAO Lei1，YU Xiao-hang2，WU Liang1
（1. Liaoning Shihua University，Liaoning Fushun 113001，China；2. NFC Shenyang Metallurgical Machinery Co.,Ltd.,Liaoning Shenyang 110141，China）

The development progress in new tube bundle structure of shell and tube heat exchanger in recent years at home and abroad was summed up. Structure improvement and strengthening heat transfer mechanism of the shell and tube heat exchanger were introduced from two aspects of tube and shell. And successful application of several new structures in the actual production and its enhanced heat transfer characteristics were introduced. Finally, constructive suggestions about tube bundle structure development of the heat exchanger were put forward.

Shell and tube heat exchanger; Bundle structure; Heat transfer enhancement

TE 965

A

1671-0460（2014）12-2572-04

2014-06-19

郝国永（1987-），男，河北石家庄人，在读硕士研究生，研究方向：新型高效节能换热器。E-mail：sjz_hgy@163.com。

张莹莹（1981-），女，讲师，硕士，研究方向：主要从事材料热加工及焊接方向。E-mail：zyy_fs@163.com。