管壳式换热器的研究与进展张海龙（山西省太原重型机械集团煤化工设备分公司）摘要：介绍了管壳武换热器在多个方面的技术进展情况，主要从改进管子，折流挡板和支撑物，加入管内扰动体等方面提高传热效率，并简述了一些应用情况和几种新型材料的管壳式换热器。同时对换热器的防腐措施以及改进动向作了介绍。关键词：管壳式换热器；研究与进展；化工设备；强化传热；防腐换热器是化工、石油、动力、钢铁、食品、发电及其他许多工业部门的通用设备，在生产中占有重要的地位。尤其是化工生产中，换热器关系到生产的正常运行和操作费用。换热器的种类繁多，但管壳式换热设备在化工生产中仍占据主要地位，尤其在高温或有腐蚀性介质的作业中更能显出优势。管壳式换热器是由一些直径较小的圆管加上管板组成管束，外套一个外壳而构成，其结构坚固，适应性强，选材广，易于制造，成本低。但是，在流动面积相等的条件下，圆形通道的表面积最小，而且管子之间不能紧密排列，故管壳式换热器的共同缺点是结构不紧凑，单位换热器的容积所提供的传热面小，传热系数不高，金属消耗量大。因而，目前在提高该类换热器性能所开展的研究主要是强化传热，适应高参数和各类有腐蚀介质的耐腐材料以及为大型化的发展所作的结构改进。随着工业的发展，陆续出现了不少高效紧凑的管壳式换热器并逐渐趋于完善。这些换热器基本上可分为两类：一类是在管壳式换热器的基础上加以改进；另一类则根本上摆脱圆管而采用多种板状换热表面。在管壳式换热器基础上改进的板式换热器，有结构紧凑，材料消耗低，传热系数大等优点，但是不能承受高温高压。本文就管壳式换热器的自身改进加以论述。管壳式换热器的自身改进，换热器的强化传热就是采用一定的措施增大换热设备的传热速率，力图用较少的传热面积或体积的设备来完成传热任务。强化型换热器在石油、化工、制冷、航空、车辆、动力机械等工业部门已得到广泛应用。强化传热已被学术界称为第二代传热技术。换热器的强化途径主要有：提高传热系数，扩大传热面积，增大传热温差等。其中提高传热系数是当今强化传热的重点。传热系数的大小主要取决于换热器内两种流体的对流传热系数、污垢层的热阻和换热管管壁的热阻等。一般情况下热管管壁的热阻比较小，可以忽略不计，而主要通过在管内装入各种强化添加物（内插物），设置挡板，增强湍流强度和延缓污垢层的形成等措施，达到提高传热系数的目的。为了实现换热器的传热高效化，其先决条件是提高单位体积的传热面积和提高传热面的传热效率，以提高综合传热系数，即强化传热（狭义的强化传热是指提高流体和传热面之间的传热系统）。其主要方法可归结为使温度边界层减薄和调换传热面附近的流体。前者采用多种间断翅片结构，后者采用泡核沸腾传热。人们想方设法实施强化传热，归纳起来有以下４种方法：改变传热面的形状；在传热面或传热路径内加入扰动促进体；对折流挡板和支撑物加以改进；特殊材料管子的制造。一５７—１改变传热面的形状改变传热面形状的方法有多种，用于无相变强化传热的有：横槽管，螺旋管，缩放管和波纹管。新近又开发出偏置折边翅片管和螺旋扁管。用于有相变强化传热管，主要是在传热表面烧结一层金属或镀层，通过机械加工附加一些细孔等结构，在沸腾时使用这类传热面可以使起泡点数目增多，并在细孑Ｌ内产生蒸气时。能从通孔的另一人口端吸取液体，从而促进细孔内液膜的蒸发，收到显著改善沸腾换热系数的效果。对于凝结，还有一种翅片结构，利用凝结液在滴落过程中，由表面张力的作用把凝结液膜拉开，使液膜减薄。例如短翅片管，由于翅片的前缘减薄，促进液膜的下流，而使换热系数增高。现在的冷冻机换热器，如果管子制成上述形式，那么将使其体积减小成本降低，效能提高。目前广泛研究的是螺旋槽管，横纹管以及利用机械加工，烧结，由化学腐蚀及表面镀层等手段制成的管件。螺旋槽管是在管壁挤压出单头或多头螺旋槽，是一次加工双面成型的高效传热元件。螺旋槽纹管换热器其管内强化传热主要由两种方式起决定作用：流体在管内流动时受螺旋槽纹的引导，使靠近壁面的部分流体顺槽旋流，产生局部的二次流，增加流体的湍动性；还有一部分流体顺壁面轴向流动，由于螺旋槽导致形体阻力，产生逆向压力梯度，引起边界层分层及边界层中流体质量的扰动，从而加快由壁面至流体主体的热量传递。据有关文献报道美国国家Ａｒｇｏｎｎｅ实验室和ＧＡ技术公司设计、制造的螺旋槽纹管换热器，其传热性能比光管提高２４倍。目前优化螺旋槽纹管的几何尺寸，使之具有良好的传热性能是其今后发展的主要方向。横纹管是２０世纪７０年代中期出现的一种高效换热器元件，它是以普通光管为毛坯，经简单滚压在管外壁形成与轴线成直角的环状槽纹。横纹槽管换热器流体经过圆环形的凹槽时，管壁上形成轴向旋涡，增加了流体边界层的扰动，使边界层分离，有利于使热量通过边界层进行传递。当漩涡将要消失时，流体又经过下一个圆环形凹槽，所以能保持不断地生成轴向旋涡，这就保证了连续稳定的强化作用。据报道，华南理工大学在研究了一种横纹管折流杆换热器，这种设备将横纹槽管强化传热技术和折流杆换热器技术结合起来，同时提高了管程换热和壳程换热效率，并发现在相同管内流速下其传热效率要优于螺旋槽管，并将这种设备在云南某厂投入使用，取代了原来的列管式折流板主热交换器，使设备投资减少了原来的１／３。此外，由于涡流主要在管内壁附近形成，对流体的主流影响很小，所以不会产生流体无谓的能量损耗，所以横纹管的流体阻力较相同节距和槽深的螺纹槽管要小很多。横纹管处理介质主要是无相变的气相或液相。近几年，横纹管的应用大大增强，效果也很明显。如益阳炼油厂、茂名炼油厂等单位采用横纹管换热器，总传热系数较光管提高了８５％，同等传热量，可节省４６％的传热面积。截面管也是近年来国内外研究开发的强化传热元件，可分为蛋形管，鼓状管，菱形管。实验证明，此类管件与光圆管相比，具有显著强化传热效果。另外缩放管和波纹管式换热器也具有明显的传热效果。缩放管换热器流体在经过扩展段时流体速度降低并且静压增加，而在流体经过收缩段时正好相反。由于在扩展段中流体质点速度的变化而产生了剧烈的漩涡，这样在经过收缩段时就会冲刷流体边界层，边界层就会变薄，所以缩放管可以强化管内外单相流体的传热，与光管相比其传热量可以增加７０Ｊ。据报道，我国益阳氮肥厂在变换锅炉软水加热器时，采用缩放管后，换热面积大大减少了。近几年，开发出一种缩放管整圆槽孔折流棚板换热器，也是一种将强化传热元件与新型壳程折流结构的一５８—优化组合，并且在工业应用操作运行中具有一定的强化传热效果。波纹管换热器由于波纹管壁较薄，波峰波谷高度差达１０ｒａｍ，这种换热管可以自由地轴向伸缩，流体在复杂界面流动下可以不断改变方向和流速，改变紊流的脉动性，并促使湍流产生，减小层流底层，增强相变换热等，增大传热系数，并且由于在温差作用下的可伸缩性，具有较强的防垢和除垢能力。波纹管换热器比普通光管换热器的总传热系数可提高１．７倍。２加入扰动促进体在单相流的情况下，在管内加入扰动促进体或管内插人体，通过搅乱流动可以达到强化传热的目的。扰动促进体，设置在传热面附近，它可以有多种形状或型式。管外侧，各种类型的扰动促进体的作用是对器壁产生较高的流体剪切应力，降低管内流体由层流向湍流过渡的临界雷诺数，从而提供较陡的速度梯度和更高的传热系数，管内插件对强化气体，低雷诺数流体或高粘度流体的传热会起到更好的效果。加入扰动促进体，势必增大了摩擦阻力，导致了压强的增大。所以现在正朝着优化的方向发展，一种成功的扰动促进体应在提高传热系数的同时，不以增大压强为代价。华南理工大学和中国石化北京设计院合作研制了交叉锯齿形扰动促进体。可直接形成流体的混合。在ｕ形管中插人单、双螺旋状和螺旋线以强化沸腾传热，实验证明这几种扰动促进体均可消除壁温飞升现象，其中单螺旋片的压降较低。国外在这方面的研究很多，英国ＣａｔＧａｖｉｎ公司研制出了一种叫Ｈｅａｔｅｘ的扰动促进体，这种扰动促进体由一组延伸至管壁的圆芯体组成，它可使管侧传热效率提高２一１５倍一９Ｊ。该公司还开发了一种叫Ｈｉｔｒａｎ的丝网扰动促进体，用于液体工况时，可使管壳式换热器管子传热效率提高２５倍，用于气体工况，可使相应值提高５倍。同时，与正常流速相比，这种促进体使换热管的防垢能力提高８一ｌｏ倍。国内在此方面也有所尝试。江苏省溧阳市化工设备公司和清华大学利用多孔介质弥散效应强化管内换热的新技术，联合开发了高效强化换热器。它采用的强化元件是一种金属丝制元件烧制而成，相当于空隙率￡＞９５％的多孔体。当流体流经时，流道内产生弥散流动效应，使流体变为湍流，从而强化了传热。实验结果表明采用这种高效的绕花丝多孔型强化换热器的总传热系数是普通光管的１．５—４倍。上海石化总厂乙烯厂减压蒸馏装置换热器采用国产交叉锯齿形带扰动促进体，在压强不增加的前提下，总传热系数较光管提高了５０％。３折流挡板及支撑物为了强化壳程传热，除上述改变管子外形，加人扰动促进体的方法外，另一种途径就是改变壳程挡板或支撑物。有关专家指出，流体在壳程中作纵向流动是管壳式换热器中最理想的结构形式，所以要改进挡板结构，以保证在湍流条件下变流体由横向流动为平行于管子的纵向流动，使流体压降减小，传热得以充分利用。避免壳程流体对管子的垂直冲击。传统的管壳式换热器采用单弓形折流板，壳程易产生流动和传热的滞留死区，造成壳程传热系数低，易结垢，流阻大等。同时还易引起管体振动，影响换热器的寿命。为了克服单弓形挡板的缺点，国外先后开发了双挡板，三挡板，折流杆，折流栅，整圆形折流杆，窗口不排管，波网，整圆槽孑Ｌ折流栅等新型的挡板结构以改变换热器的壳程。实践证明，这些改进大大降低了流体在壳程中的阻力。国内在新型折流板和支撑物开发方面与国外先进水平差距较大，新产品的开发也仅限于折流杆等少数几个品种。广西桂林化机厂与华南理工大学设计试制的气一气折流杆换热器在一５９—浙江新安江化肥厂变换系统使用，使系统压降达０．０６ＭＰａ。换热器壳程和壳程总压降１４．７ｋＰａ，一台１６５ｍ２折流杆换热器中的换热能力相当于原４００ｍ２换热器的２—４倍。折流杆换热器对管子的支撑方式是通过每４个不同折流栅上的圆钢杆分别管子４个方向的位移，即每个支撑点只一个方面的位移。它的特点是由支撑杆，折流环，交叉支撑位杆；分离板和纵向滑动杆组成的折流栅代替折流板。螺旋形折流板换热器是最新发展起来的一种管壳式换热器，与常规折流板相互平行布置方式不同。它的折流板相互形成一种特殊的螺旋形结构，每个折流板与壳程流体的流动方向成一定的角度，并使得壳程流体沿着折流板做螺旋运动。这样减少了管板与壳体之间易结垢的死角，能显著地防止结垢，从而提高换热效率。复合支承方式也研究的比较多，所谓的复合支承方式是指同一管束中组合了两种支承方式。折流板一圆钢杆支承方式是其中一种，它在相邻两折流板之间加装以“圆钢杆”作为支承元件的折流栅。现在，世界许多国家均在致力于这个方面的研究，折流板的形式正向着流阻低，坚固，结构简单，制造方便，节省费用等方向发展。４特殊材料管子的换热器近年来，随着制造技术的发展，强化元件的开发，使得新型高效换热器的研究有了较大的发展。根据不同的工艺条件与换热工况设计制造了不同结构，不同材料的新型换热器，这样既充分利用了能源，又节省了资源。换热器防腐的主要措施有：牺牲阳极法、化学镀Ｎｉ—Ｐ、表面涂层处理、改变材质等。４．１牺牲阳极保发生电化学腐蚀时，阴阳极之间产生腐蚀电流。采用电极电位比被防腐体低的金属并与被防腐体接触，利用低电位金属的腐蚀电流作为高电位被防腐体的防腐蚀电流，这种方法即牺牲阳极保。如用镁合金作为阳极材料时，在电流的作用下形成电场，产生电磁振动，从而使水垢受冲击而脱落，达到除垢的目的。４．２化学镀Ｎｉ—Ｐ与表面涂层处理化学镀Ｎｉ—Ｐ合金镀层均匀、致密性好、结合力强，镀层是非晶态的，因此具有一定的耐蚀性，不宜结垢，抗冲刷，耐高温，传热系数与钢相近，不会降低传热效率。但是这种镀层表面如果出现孔隙，将会加速腐蚀。换热器表面进行涂层处理后，可以免受工业水腐蚀的目的，增大使用寿命，且施工方便，费用低。性能好的涂料不仅耐酸碱腐蚀，而且具有良好的传热效率，不易结垢。如果固化效果不好，涂层表面会产生针孔，会提前缩短换热器使用寿命。因此，鉴于以上两种方法在控制不严的情况下出现的问题，可以将以上两种方法结合，解决各自的不足之处。４．３改变材质在设计换热器时，材料还应具有一定的耐腐蚀性能。法国的ＬｅＣａｒｂｏｎｅ公司推出了一种称为新奇换热器（ＥｘｏｔｉｃＨｅａｔＥｘｃｈａｎｇｅｒｓ），它是一种防腐的钽制换热器，光滑如玻璃，供制药工业用，另配有防污平管板，起防污作用。．由美国杜邦公司推出的聚四氟乙烯换热器，其管子由聚四氟乙烯制成。它具有优良的耐蚀性，结构紧凑轻巧，主要用于温度、压强不高传热工艺中。由于某些工业中使用的流体易与金属起化学反应，医药工业和食品工业中要求产品的纯度高，在这种情况下可以采用玻璃换热器。玻璃换热器结构清晰明了容易发现故障部位，能及时修复；不易附着污垢，容易清扫；传热一６０—系数高；但容易破坏。主要用于工作温度和压力较低的流体，且流体较清，流速不高的场合。近几年来，钛的性能也用到了换热器上。由于其耐蚀性强和质量轻的优点，正在被广泛地采用。钛换热器要用于以海水为冷却水的冷凝器，海水淡化装置与化学工业用的冷凝器。钛制换热器的优点有许多，如优异的耐腐蚀性，比强度（抗拉强度／密度）高，屈服强度与抗拉强度的比值高，疲劳强度高，冲击性能优异。国内现已致力于这方面的研究，由中石化扬子石油化工股份有限公司和南京宝色钛业有限公司承担的“ＰＴＡ氧化第二冷凝器ＨＥ一３０２国产化”研制项目，其研究成果已通过技术鉴定。该设备全部采用国产特殊钛锭生产的冷凝器，钛管与复合管板采用液压橡胶胀和强度焊。国产钛冷凝器每台造价为进口的Ｌ／３，其技术水平达到国外同类产品２０世纪９０年代末先进水平。钛制换热器体现了现代工业要求的换热器的优点，应该逐步向标准化发展，是很有发展前途的。除了改变材料，目前对原有的碳钢钢管也进行了研究，改善其性能，如防腐性能。换热器是石化企业量大面广的重要炼油设备，随着原油含硫量的增加，加上油品的深度加工处理，使炼油设备的腐蚀环境更满足石化企业的需要。上海材料所，上海炼油厂兴澄集团公司开发了耐Ｈ：Ｓ应力腐蚀开裂的０８Ｃｒ２ＡＩＭｏ换热器专用无缝钢管新钢种。该钢种在化学成分上保持了耐蚀元素ｃｒ、Ａ１、Ｍｏ的含量，降低了钢的含碳量，既保持了抗Ｈ：Ｓ腐蚀能力，同时，保证钢管的硬度与管板硬度相匹配。０８Ｃｒ２ＡＩＭｏ钢种有广阔的应用发展前景。另外，由上海材料所，中石化北京设计院和江阴钢厂等单位与１９９１年联合开发研制的耐露点腐蚀新钢种０９ＣｒＣｕＳｂ（代号ＮＤ钢）具有良好的耐硫酸低温露点腐蚀性能，１９９７年１２月上海炼油厂首次应用ＮＤ钢于丙烷装置管壳式冷却器管束上，效果很好。５结论综上所述，随着强化传热理论的研究，加强管壳式换热器的改进，将高效传热管与壳程强化传热的支撑结构相结合是今后换热器发展的一个重要方向。不仅要重视加强换热器传热元件的研究，而且防腐措施的强化同样具有举足轻重的作用，综合考虑各方面因素，生产高质量、低成本的换热器，在推动生产发展的同时，也会获得较高的经济效益。２ｌ世纪是能源短缺的世纪，传热技术的发展引入注目。为了适应节省资源和能源的时代要求，必须研制出成本低，效能高的换热器，要求提供在小温差条件下也能取得较大热流密度的高效传热面。今后，换热器的研究发展方向应该是研制以尽量小的温差，尽量少的传热面积来传输同样多热量的“高效换热器”。参考文献［１］胡明辅等．折流栅抗振型换热器结构及其抗振特性研究［Ｊ］．压力容器，１９９９，１６（２）：１６一１９．［２］严良文，王志文．一种新型纵向流管壳式换热器管柬支撑结构［Ｊ］．压力容器，２００３，２０（４）：２０—２２．［３］ＧｅｎｔｒｙＣＣ．ＲＯＤｂａｆｌｅｈｅａｔｅｘｃｈａｎｇｅｒｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ［Ｊ］．ＣＥＰ，１９９０，８６（７）：４８－５７．［４］钱颂文，岑汉钊，江楠，等．换热器管柬流体力学与传热［Ｍ］．北京：中国石化出版社。２００１．［５］邓先和，邓颂九．管问支撑物的结构对横纹槽管管柬传热强化性能的影响［Ｊ］．化工学报，１９９２，４３（１）：６２—６８．［６］周理，安福，徐越平．刺孔膜片式高效管壳换热器的壳方特性研究［Ｊ］．化工学报，１９９２，４３（５）：５９９—６０８．［７］黄德斌，邓先和，王扬君。等．螺旋椭圆扁管强化传热研究［Ｊ］．石油化工设备，２００３，３２（３）：１－３．一６１—［８］江楠，李伟军，任佩琳．变截面管换热器传热与阻力性能［Ｊ］．石油炼制与化工，２００１，３２（６）：３３—３６．［９］ＬｕｔｃｈａＩｃｈｅｍＥ，ＰａｒｔＪ，ＮｅｍｃａｎｓｋｙＪ．Ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｉｍｐｒｏｖｅｍｅｎｔｏｆｔｕｂｕｌａｒｈｅａｔｅｘｃｈａｎｇｅｒｓｂｙｈｅｌｉｃａｌｂａｆｆｌｅｓ［Ｊ］．ＴｒａｉｌｓＡ，１９９０，６８（５）：２６３—２７０．ｄｉｓｃｏｖｅｒｙａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ［１０］ＣｚｅｃｈｏｓｌｏｖａｋＰＯ［Ｍ］．４５—８５．［１１］陈世醒，张克铮，张强．螺旋折流板换热器的开发与研究（１）一高粘度流体下的中试研究［Ｊ］．抚顺石油学院学报，１９９８，１８（３）：３ｌ～３５．［１２］张克铮，陈世醒，张强．螺旋折流板换热器的开发与研究（２）．粘度流体下的中试研究［Ｊ］．抚顺石油学院学报，１９９８，１８（３）：３６～３８．［１３］曾舟华，钱颂文．低传热“死区”异形孔板纵向流管壳式换热器传热研究［Ｊ］．化工设备设计，１９９７，３４（２）：１５一１７．一６２—
