1、引言
換熱器是一種實現物料之間熱量傳遞的節能設備，其發展已有近百年的歷史，在石油、冶金、電力、輕工、機械等行業得到廣泛的應用。尤其是近十年來。能源緊缺，材料費用上漲，節能減排成為我國“十二五”期問重要戰略的舉措，為此，對高效節能換熱器的研究已成為當今換熱領域研究的熱點[1]。列管式換熱器又稱管殼式換熱器，廣泛應用于能源動力、石油化工、機械等行業。具有結構堅固，操作彈性大，適應性強，單位體積所具有的傳熱面積(40一150m2／m3)大且傳熱效果好[2]，選材范圍廣，能承受高溫和高壓等特點，但與新型換熱設備相比，在換熱效率、結構緊湊性和金屬材料消耗等方面略遜，在換熱設備中占有約70％的主導地位。目前對高效列管式換熱器的研究主要集中在強化管程和殼程兩方面，且以實驗研究方法為主。
2、管程強化換熱
2.1螺紋管換熱器
螺紋管是一種優良的高效異形強化傳熱管件，其結構如圖1所示，由光滑管在車床上軋制而成，分單頭和多頭，其強化傳熱機理是：產生的邊界層分離流使傳熱邊界破壞，二十世紀七、八十年代美國、英國、日本對螺紋管進行了大量的研究，我國的華南理工大學、重慶大學、北京理工大學也進行了試驗研究且成效卓著。華南理工大學和重慶大學經試驗研究及理論推導，得出單頭螺紋管比多頭螺紋管綜合性能好的結論。目前從傳熱、流阻、阻垢性能、無相變對流換熱、有相變凝結換熱等方面對螺紋管的強化傳熱研究從理論到實際都達到了較高水平[3]。
2.2橫紋管換熱器
1974年前蘇聯首先研制出橫紋管，采用普通圓管作毛胚，在管外壁經簡單滾軋出與軸線垂直的凹槽，在管內形成一圈突起的環肋，其結構如圖2所示。其強化傳熱機理是：當流體通過環肋時在管壁形成軸向渦流，增加了流體邊界層的擾動，使邊界層分離，強化了傳熱。當渦流消失時，流體流經下一個環肋，不斷產生軸向渦流，使得強化傳熱能持續進行。研究表明[4]：在相同流速下，橫紋管與單頭螺紋管比較，流體阻力稍大但壓降較小，傳熱性能好。我國華南理工大學、沈陽化工學院和遼寧冷熱設備制造公司等單位對橫紋管進行了研究和應用。
2.3波紋管換熱器
波紋管是近10年出現的強化換熱管，是將光管加工成波紋形狀的翹片，其結構如圖3所示，其強化傳熱機理是：通過改變斷面使弧形段內壁處發生兩次反向擾動，增加對管內流體的擾動，擴大低熱阻區域，以提高傳熱系數，增強傳熱效果。具有不易結垢，單位容積傳熱面積大，耐腐蝕性強，溫差應力小等優點。我國第一臺波紋管換熱器由沈陽市廣廈熱力設備公司于20世紀90年代初研制成功。
2.4縮放管換熱器
縮放管是由依次交替的收縮段和擴張段組成的波形管道，其結構如圖4所示。其強化傳熱的機理是：在擴張段流體速度降低，靜壓增大；在收縮段流體速度增加，靜壓減小；流體在方向反復改的軸向壓力梯度下流動。擴張段產生的漩渦在收縮段被有效地利用，沖刷了流體邊界層。便邊界層減落實現了強化傳熱。華南理工大學研究認為，縮放管可強化管內外單相流體的傳熱，在同等流阻損失下，Rc=104~105范圍內，傳熱管比光管增加70％[5]。縮放管換熱器已在空氣預熱器、油冷卻器、冷凝器、廢熱鍋爐中廣泛使用。
2.5管內插入物
用插入物強化管內單相流體傳熱，尤其是對強化氣體，低雷諾數流體或高粘度流體的傳熱更為有效。其強化傳熱機理是：①形成旋轉流；②破壞邊界層；③中心流體與管壁流體產生置換作用；④產生二次流。目前管內插人物有螺旋線、紐帶、錯開紐帶、螺旋片和靜態混合器等。
2.6三維內肋管換熱器
三維內肋管是通過專用機床在光管內壁擠壓出許多獨立的齒狀肋片作為強化傳熱元件，其強化傳熱機理是：擴大了換熱面積，每個肋都是擾動源，增加了流動的紊亂度，流體在肋間的近壁面加速，減薄了熱邊界層厚度，流體在管內做周期性振動，流體橫向沖刷三維肋，提高了流體與肋的換熱系數；從而達到強化傳熱的效果。文獻[6]表明：對于空氣的管內換熱，三維內肋管是光管的5.8倍，對管內的凝結換熱和沸騰換熱，換熱系數分別是管的3～5倍和2~5倍。
2.7菱形翅片管和花瓣形翹片管換熱器
菱形翅片管與螺紋管相比，翹片距更密，傳熱面積更大，當流體流經菱形翅片表面時，傳熱邊界層在非連續翅片上因受到周期性破壞而減薄，從而提高了冷凝傳熱系數，是光滑管的6倍。花瓣形翹片管是一種特殊的三維翹片結構強化傳熱管，其形狀是翹片從翹頂到翹根都被割裂開，翹片側面呈一定的弧線，從側面看，各翹片成花瓣狀，其肋化系數是光滑管的2.5倍，冷凝傳熱系數為光滑管的5一18倍[7]。
3、殼程強化換熱
傳統的弓型折流板換熱器存在沿程壓降較大，易出現流動死區、旁流和漏流、易結垢、易誘導換熱器的振動等問題。因此，強化殼程換熱的研究主要是殼程結構的優化，將殼程流體的流動由傳統的橫向沖刷變為與管內流體基本逆流的縱向沖刷來提高換熱系數，防止流體的振動。
3.1板式支撐結構
3.1.1多弓形折流板
多弓形折流板是在單弓形基礎上增加切口面積，使殼程縱向流流動增大，從而克服了單弓形折流板急劇回轉流動造成的管束振動和壓降大的缺點。研究表明：雙弓形折流板使殼程管束壓降只有單弓形折流板的1／8一1／6，殼程流速提高2倍，傳熱率提高50％。
3.1.2整圓形孔板
將開有不同形狀的整圓形折流板代替傳統的弓形折流板，這種結構不易結垢，傳熱得到了強化。整圓形折流板主要包括大小圓孔折流板。異形管孔(如形孔，梅花孔)折流板，網狀孔折流板，偏心孔折流板等如圖5所示，為了改進孔板的制造，吳金星等[8]開發了一種新型的花瓣孔板如圖6所示，在圓形隔板的四個象限的某一象限或兩個象限(不超過三個)上開有管孔，作為管束支撐，而未開管孔的象限是空的或鉆大孔作為流體的通道，花隔板交替布置，相鄰兩塊隔板的空缺部分相差一個相同的角度，這種結構能使流體在縱向流動的同時發生偏轉以達到強化換熱的目的。
3.2折流桿式支撐結構
折流桿式結構是由2個橫柵和2個縱柵組成的折流柵組成，如圖7所示，每個折流柵由若干平行的折流桿在一個折流圈上而成。其強化傳熱機理是：使流體由橫掠管束改為縱掠管束，由于折流桿的擾動作用，流體流過折流桿后產生的漩渦脫落及漩渦尾流，流過折流圈時的文丘里效應都提高了傳熱系數。由于改橫向流為縱向流，流動阻力減小，殼程壓降降低。
這種結構只適用于大流量的情況，為了發揮其優勢，胡明輔等[9]在原有析折流桿換熱器的加裝縱向隔壁，使其成為雙殼程折流桿式支撐，殼程的流速提高了一倍，換熱系數提高了74％左右，為折流桿換熱器的大規模使用打下了技術基礎。
3.3空心環支撐結構
空心環支撐是由華南理工大學傳熱強化與過程節能重點實驗室鄧先和等發明，是由直徑較小的鋼管截成短節，均勻分布在換熱管之間的同一截面上，呈線性接觸，如圖8所示。用這種結構代替折流板，能降低35—50％的換熱器鋼材消耗量，使氣體壓降減少30—40％，目前已成功應用于硫酸工業與石化工業。研究表明，在同等殼程壓降下，采用縮放管時，空心環列管式換熱器比折流桿式殼程傳熱系數提高50％一80％。鄧先和教授開發的空心環急擴加速流縮放管列管式換熱器已廣泛應用于硫酸廠轉化工序。但空心環支撐的擾流作用不如折流桿支撐，而且管束固定工藝較為復雜。
3.4自支撐結構
為簡化管束支撐，使換熱器更加緊湊，近年來開發出了刺孔膜片管，螺旋橢圓扁管和變截面管等自支撐結構如圖9所示，管子自支撐的共同特點是靠管子自身變形的突出部位相互支撐，無需其它支撐物。隨著研究的深入，出現了新型的管束自支撐結構，如江楠等¨叫提出了將太陽棒針翹管或釘頭管與變截面混合管束支撐有機結合在一起的管柬自支撐結構。
4、目前研究中存在的不足之處
我國對列管式換熱器強化傳熱的研究多借鑒于國外的一些研究成果，對各因素影響換熱器性能的研究比較全面，但經驗還比較少，技術創新還不夠，理論研究和實驗研究還需進一步深入，總的來說，還存在如下不足：
4.1強化傳熱技術的研究有待深化
強化傳熱技術的研究大多屬于經驗性的，依據各自的經驗與分析，設計出所需要的強化換熱元件，再利用實驗研究的方法，給出實驗關聯式或準則關系式，這樣就會出現在傳熱強化時，流動阻力也增加了，且流動阻力的相對增加量要大于換熱的相對增加量。因此，在增加傳熱系數時，要注意控制流體阻力的增加。
4.2流體誘導的振動難以控制
如果能適當控制由流體流動而引起的管子振動，可以強化傳熱；但若控制不當，又易引起管子斷裂而使設備損壞。為解決這一問題，在理論上提出了一些流體激振機理和振動預測方法。在工程應用方面也開發了一些新的抗振結構，但由于流體流動的復雜性，難以通過理論計算對振動進行有效的控制與預防，效果并不理想。
4.3防垢和除垢有待更好的處理
前面幾種管程和殼程強化加熱的結構，雖然傳熱效率提高了，但隨之帶來了流阻和易結垢的問題，而換熱器的污垢對傳熱及流動參數影響較大，雖然得到鶯視，但由于實際問題的復雜性，換熱器的設計仍采用超余設計的保守方法來處理污垢問題。
5、列管式換熱器研究的發展方向
5.1綜合考慮影晌換熱的因素來提高換熱效率
換熱效率的提高主要依賴單位容積里換熱面積的大小，依據熱平衡原理，還要考慮熱量的散失。因此必須開發出一種新型的結構，通過降低相變的溫差來降低熱量的散失，同時還應考慮新結構中的流阻問題。
5.2從防垢方面進行研究
對于介質具有腐蝕性且工作壓力較高的換熱器，焊接接頭更易于結垢和腐蝕，因此防垢尤為重要，因此必須綜合考慮影響結垢的諸多因素，如介質溫度、熱源溫度、流速、壁面材料以及材料的表面粗糙度，還有換熱器的流道轉彎及縮放處需要采用圓滑過渡，以減低流阻利于防垢。
5.3加強換熱器的防震措施
傳統的換熱器的防震措施是利用縮短折流板間距或弓形缺口不排管，但前者使殼程流體壓力降增加，而后者會增大換熱器殼徑；減小殼程流體流速也可使作用在管子上的橫向流體作用力減少，但同樣會增加換熱器外徑和降低給熱系數。桿式折流圈結構比前幾種方法不管從防震效果還是換熱效率都相對好些，但還是效果不佳，因此必須開發出一些新型的防震結構來提高換熱效率和保護設備安全可靠性，延長設備的使用壽命。
5.4非金屬材料的應用
非金屬材料在一定的范圍內具有金屬材料不可比擬的優點。目前，石墨材料、氟塑料、搪瓷玻璃等復合材料，陶瓷材料等已引起工業界的高度重視，并在換熱產品的制造中得到了應用，并將成為一種發展趨勢。
5.5計算流體力學(CFD)的應用
在換熱器的熱流分析中，運用計算機技術建立流體的流動和熱傳遞模型，并進行計算機模擬和仿真，從而對流體的流動區域和熱傳遞的分布進行更詳細的預測。目前，基于計算機技術的熱流分析已用于自然對流、剝離流、振動流和湍流熱傳導等的直接模擬仿真，以及對輻射傳熱、多相流和稠液流的機理仿真模擬等方面。今后的發展方向將是如何理解傳熱的微觀機理，尋求換熱器內流體流動的畫像處理新方法等。
5.6詳細模型化技術
在設計模型，設計改進和設計開發時，采用實驗數據和cFD結果進行相互補充的研究，國外大學及研究機構都立足于這些觀點。對于列管式換熱器領域同樣如此，如殼體側流速分布的評價，旁路流密封Debye效果的定量評價，殼體側人口部的流體分布等的使用。
5.7加強實驗和理論研究
采用先進的測量儀器來精確測量換熱器的流場分布和溫度場分布，并結合分析計算摸清不同結構的強化機理。采用數值模擬方法對換熱器內流體流動和傳熱過程進行研究，預測各種結構對流場及傳熱過程的影響。
參考文獻
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