管壳式换热器换热管的传热强化分析

高慧

（中国石油辽阳石化公司机械检修部，辽宁 辽阳 111003）

管壳式换热器换热管的传热强化分析

高慧

（中国石油辽阳石化公司机械检修部，辽宁 辽阳 111003）

为了推动石油化工行业更好的发展，许多企业开始将管壳式换热器应用到生产中来，这不仅提高了工作效率，同时也节省了大量的人力、管壳式换热器成本和物力资源，因此管壳式换热器得到了人们的广泛关注。本篇文章就主要对换热器传热强化的作用进行阐述，并对管壳式换热器换热管的传热强化进行充分的分析。希望通过本文的阐述，可以给管壳式换热器未来的应用方面提供些许的参考意见。

管壳式换热器；强化传热；壳程；管程

管壳式换热器不仅可以应用在石油化工产业中来，同时也可以应用在电力企业、船舶制造企业、供暖企业、能源制造企业等。管壳式换热器的自身作用主要是在石油炼取以及化学加工装置中才能得到充分的发挥。管壳式换热器具备三项特点，第一项是结构稳定；第二项是具备较高的适应能力；第三项是耐高温。因此在高温、高压以及大型装置中得到了广泛的应用。据调查显示，在石油化工企业中，管壳式换热器的投资量和企业总投资量的比例为0.4:1。管壳式换热器由于具备两个优点，第一个是可以循环使用；第二个是能回收可应用热能，因此在20世纪70年代所遭遇的生化危机中，保证多个企业躲过了难关。随着时代的推移，管壳式换热器也随之不断创新和完善，管壳式换热器的强传热技术在国际上已经获得了一定的效果。

1　换热器传热强化的作用

管壳式换热器的工作原理就是在一定时间内将热量进行传递。管壳式换热器的工作作用主要在于在一些制定的设备的帮助下，将消耗的热能源进行传递，实现设备容量逐渐增多，进而达到提升工作效率的目的。与此同时，在设备容积不发生变化的状况下，让管壳式换热器的内部结构满面变得紧凑，使其可用空间逐渐减少，进而达到节约经济成本的目的。

2　管程强化传热分析

2.1螺旋槽管

螺旋槽管是一种专用的抓管设备，它的表面呈现螺旋状的凹槽，而管内结构是呈现螺旋状的凸槽，进而达到紧密配合的作用，连续螺旋折流板及换热管见图1。若螺旋槽管中的介质呈现流动的情况，在螺旋槽管进行运作的过程中螺旋线形状槽纹就会遭受一定的影响，螺旋槽管的螺旋线形状槽纹和螺旋槽管的内壁无法做到密切配合，进而使得螺旋槽管外壁受到磨损，厚度逐渐变薄，保证交换的热量却逐渐增多。但是，在进行螺旋槽管运作的过程中，由于介质会出现纵向运动的情况，使得边界层出现分层的现象。这样一来，螺旋槽管中介质的运行速率逐渐加快，进而完成螺旋槽管中介质和主体介质之间的热传递。

图1　连续螺旋折流板及换热管

2.2波纹管

在进行管道加工的过程中，由于管中会存在连续波纹曲线的现象，这种管就叫做波纹管。波纹管是强化管的一种，波纹管流程图见图2。波纹管顾名思义，就是管道内部结构呈现波纹形状，而每个波纹都是有直径大小不一的圆弧结构组成。波纹管的工作原理主要是由于管中介质的流动情况发生着改变，促使湍流程度不断增加，进而到达传递热量的目的。通过不断的实验表示，如果管中的介质是水时，波纹管传递热量的效果将上升到光管的2.5倍。

图2　波纹管

2.3内插物管

内插物管的工作原理主要是将管中的介质呈现漩涡运动状态，这样做的主要目的就是提升管中介质流体的混合度，达到介质运行速率与温度分布情况进行紧密结合，进而提升热传递的效率。为了达到更好的传热效果，就要保证内插物管中的介质处于高黏度流体和低雷诺数中。但是，根据实际情况来看，插入物选用的类型比较繁多，常常应用的插入物有三种，第一种是螺旋片；第二种是螺旋线；第三种是扭带。经过反复的实验证明，当内插物管中呈现层流换热的情况时，这是插入物选用扭带，内插物管传递热量的效果将上升到光管的2.2倍。

2.4缩放管

所谓的缩放管主要是渐缩管与渐扩管进行周期交换进而形成的波形管道，缩放管见图3。缩放管的工作原理主要是通过对管中的截面进行收缩，使得管中介质的流向发生变化，进而使得流体的速率以及方向也随之发生变化。当管中的流体流速逐渐减小时，管中的静压就会随之增大；当管中的流体流速逐渐增大时，管中的静压就会随之减小。由于缩放管中的流体总是会发生变化，使得管壁厚度逐渐变薄，进而达到热传递的目的。

图3　缩放管

3　壳程强化传热分析

3.1折流板支撑结构

对于传统的折流板支撑结构来说，虽然其也具备一定的优势，但是随着时间的推移，人们开始越来越注重环保问题，而由于传统的折流板支撑结构存在四项劣势，第一项是压降大；第二项是具备传热误区，见图4；第三项是容易产生污垢；第四项是具有较强的震动感。这是具备这些劣势，使得传统的折流板支撑结构无法满足现在人们的需求。因此，为了实现节能环保的目的，研发出一些具备高效节能的管壳式换热器是人们最为关注的话题。

图4　传统单弓形折流板换热器壳程传热死区

3.2折流杆支撑结构

1970年，美国Phillips石油公司就已经研究出一种新型的折流杆换热器，并将其应用到石油的生产工作中，其壳程结构图见图5。折流杆换热器由于具备管束支撑结构，这样不但可以有效的减少管中的流体运行的震动幅度，避免因为剧烈的震动而给管体造成一定的破坏，同时还能缓解流体对管体的扰动情况，进而达到热传递的作用。

这种换热器的管束支撑结构不仅能够降低壳程流体对换热管束横向冲刷所导致的振动，防止因振动所引发的损坏，还能对壳程流体进行扰动，以达到强化传热的目的。

图5　折流杆换热器壳程结构

4　管壳式换热器传热强化的发展趋势

根据目前的情况来看，管壳式换热器传热强化的发展趋势已经朝着支撑式的形式发展。随着折流杆式支撑管壳式换热器的出现，最终构成现代化的自支撑模式。在管壳式换热器传热强化发展的过程里，管壳式换热器的传热效果也逐渐增加，而管壳式换热器的压降也逐渐减少。由此我们可以清楚地看出，管壳式换热器传热强化的发展趋势一直呈现上升的状态。首先，随着信息化时代的来临，换热器传热强化的过程中也将信息化技术融入到研发中，这样不仅可以提升传热的效率，同时也能保证传热的效果。其次，将先进的技术应用到仪器中来，例如红外摄像仪等，进而实现对温度进行合理的把控。最后，研发出具备高效率、高环保的换热器，进而推动管壳式换热器更好的发展。

5　结束语

通过本文的阐述，使得我们对管壳式换热器有了更深入的认识。随着管壳式换热器的广泛应用，它不仅可以保证企业提升经济效益，同时也能提高工作效率。在进行管壳式换热器传热强化的过程中，要秉持的高效率，高环保的强化理念。这样不仅可以达到环保的作用，同时也能有效的节省企业的资金成本。希望通过本文的阐述，可以给管壳式换热器的今后发展提供一定的帮助。

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TQ051.5

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1671-0711（2016）09（上）-0073-02