管壳式换热器的强化传热方式

来源： 广东捷邦节能 日期：2020-11-11

换热器的强化传热从广义上可以分为主动强化传热技术与被动强化传热技术两大类。主动传热强化需要外部对系统施加动力来实现强化传热的目的，它需要外部器械进行辅助，并不适用于大部分系统。被动强化传热指不需施加外力，主要通过优化换热器几何结构、改变流体物性等来提高传热速率，不需要外部设备且操作简单，因此更加广泛地被应用于实际工艺中。

目前国内外针对管壳式换热器强化换热的研究主要还是集中于被动强化传热技术换热器强化传热的目的是在相同动力消耗条件下，单位时间、单位面积下尽可能增加换热量。针对管壳式换热器的强化传热主要有以下方式：管程强化传热、壳程强化传热、流体本身物性优化以及复合强化传热等。

管程强化传热
针对管壳式换热器管程的强化传热主要采用强化传热管或加入管内插入物，在换热管表面加工形成凸起对流体进行扰动，从而强化传热。其中强化传热管主要包括波纹管、横纹管、螺旋扁管、缩放管以及内翅片管等

波纹管是由薄壁光滑管加工而成，传热系数为光滑管的2～4 倍。
横纹管是在金属管材上变截面连续滚轧成型，有效面积无太大扩展，靠突出肋对流体产生扰动。
螺旋扁管是将光滑圆管压扁，并按一定导程扭曲而形成的管型。管内螺旋状流道使流体产生旋转，增加流体扰动程度，促进流体混合，极大提高换热效率。
缩放管通过管段收缩变化使流体产生回转旋涡从而提高传热系数，内翅片管的传热面积有较大增加，且流体微团在壁面产生回转旋涡，从而提高传热系数。

强化传热管相对光滑管传热性能可以大幅提高，但其加工较为复杂且不易清洗，适用于不易结垢的流体强化传热。管内插入物具有加工简单、不改变传热管形状等优点，适用于现有换热器的改造。管内插入物可以扰动管内流体，形成旋流和二次流，增强湍流强度，破坏层流边界层，从而加快流体与传热管的换热，同时摩擦系数较小，能够有效清除污垢，被广泛应用于换热器中。
常见的管内插入物主要为金属纽带及螺旋片等。

纽带是一种结构简单的旋流发生器，由薄金属片扭转而成，与光滑管相比，传热系数可以提高2倍以上。
螺旋片是由一定直径的铜丝或钢丝按照一定的节距绕成。对于雷诺数较大的湍流区，增加主流的扰动对传热影响并不大，而管壁附近的层流导热对过程起控制作用，螺旋线正好处于壁面附近，在近管壁区域引起湍流扰动，从而有效提高传热系数。

不同形式的折流管换热器

折流杆式换热器
折流杆换热器是目前应用最广的新型管壳式换热器。此种换热器广泛应用于单相沸腾和冷凝的各种工况。其总传热系数比普通折流板换热器提高40~60%，且抗振性能好。把折流杆支撑结构与螺旋槽管、横纹槽管、底翅片管、T形翅片管等强化传热管组合，形成复合强化传热技术。

空心环式换热器
空心环是由直径较小的钢管截成短节，均匀地分布于换热管管间的同一截面上，呈线性接触，在紧固装置螺栓力的作用下，使管束相对紧密固定。

螺旋折流板换热器
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，使壳程流体做螺旋运动，能减少管板与壳体之间易结垢的死角，从而提高了换热效率。在气—水换热的情况下，传递相同热量时，该换热器可减少30％~40％的传热面积，节省材料20％~30％。此换热器尤适宜于处理含固体颗粒、粉尘和泥沙等流体。

扭曲管换热器

捷邦高效节能型管壳式冷凝器和高效节能型蒸发器产品都获得广东省高新技术产品证书。

壳程强化传热
换热器壳程强化传热包括扩展表面和管束支撑结构等。

针对管壳式换热器壳程强化传热，更多研究在于壳程支撑结构的设计及优化。针对壳程隔板的优化一直得到国内外学者的广泛关注，多种不同结构的隔板被设计以及制造，如偏转挡板、重叠螺旋挡板以及折流杆等。

弓形隔板换热器

连续型螺旋板换热器

重叠螺旋折流板

流体传热强化
纳米流体是一种由基液和纳米颗粒（尺寸小于100nm）组成的稳定均匀的液体，在研究中发现，纳米流体具有优异的热物性，能够有效地提高流体的热导率。

潜热型流体是一种以相变材料为基础的集储热和强化传热功能于一体的新型工质，是由不同方法制备的相变材料微粒与单相流体组成的。
相变微胶囊悬浮液是将相变材料使用高分子聚合物包裹成微胶囊颗粒，再将微胶囊分散到水中而形成。
离子液体是由有机阳离子与无机/有机阴离子构成的熔盐体系，在室温下呈现液态，因此也被称为低温熔融盐。

复合强化传热
复合强化传热技术是将两种或两种以上强化措施同时应用，以获得更高强化传热效果。针对复合强化传热研究已获得诸多关注，包括同时使用金属纽带及螺旋线对管内流体进行强化传热、使用纳米流体流经强化传热装置等。