摘要:介紹了管殼式冷卻器殼程強化傳熱方面所展開的研究工作及取得的成果,指出了強化傳熱技術的研究方向。　　關鍵詞:管殼式冷卻器;殼程;強化傳熱　　引言　　管殼式冷卻器在化工、石油、動力、冶金、制冷、原子能、造船、食品等工業部門中有著廣泛的應用。近40年來,國內外對管內強化傳熱進行了大量的研究,取得了豐碩的成果,目前已有的強化傳熱管技術不下百余種。相比之下,殼程強化傳熱方面的研究遠遠沒有管程研究的廣泛和深入。直到20世紀70年代,殼程強化傳熱技術才開始受到重視,并取得了較大進展。　　殼程強化傳熱的途徑主要有2種:一種是改變管子外形或在管外加翅片,即通過管子形狀和表面特性的改變來強化傳熱,如螺紋管、螺旋槽管、外翅片管等強化傳熱管技術;再一種是改變殼程擋板或管間支撐物,以減少或消除殼程流動與傳熱的滯留死區,使傳熱面積得到充分的利用。第一種途徑與管內強化傳熱技術機理一致,已有很多文獻報道。管殼式冷卻器殼程擋板或管束支撐物的發展表現為折流板的改變,其目的是將泵功最大程度用于增強傳熱方面,而不是消耗于管間支撐物。現有的支撐形式有板式支承、桿式支承、空心環支承和管子自支承。　　1板式支撐結構　　傳統的管殼式冷卻器采用單弓形折流板支承,殼程流體易產生流動死角,傳熱面積無法被充分利用,因而殼程傳熱系數低、易結垢、流體阻力大。并且當流體橫向流過管束時,還可能使管子產生誘導振動,破壞管子及其與管板連接的可靠性。因此,為了消除它的弊端,近20年來出現了許多新型的殼程折流板支承結構,如多弓形折流板、整圓形板、異形孔板、網狀板、弓形折流板加平行分隔板、螺旋折流板等。這些新型折流板支承結構的共同特點是盡可能地改善殼程流體流動和傳熱死區,降低殼程流體流動阻力,而且管束的抗振性也能得到增強。　　1. 1雙弓形及三弓形折流板　　雙弓形折流板在冷卻器殼側將流體分成兩股平行束,橫向流動的長度(即橫流經過的列管數)大致為具有同樣缺口的單弓形折流板的一半,與具有相同折流板間距和缺口的單弓形折流板相比,雙弓形折流板的壓降為可比設備相應值的30 %～50 % ,而傳熱系數是可比設備相應值的60 %～80% [1 ]。類似于雙弓形折流板,三弓形及多弓形折流板則在冷卻器殼側將流體分成三股或多股流。　　1. 2整圓形折流板　　為了盡可能地改變弓形折流板支承的橫向流動為平行于管子的縱向流動,消除滯留死區,提高流體在殼程的流速,在電站和石油化工中,出現了整圓形折流板。最初出現的整圓形折流板在板上鉆大圓孔,既讓管子通過,又有足夠的間隙讓流體通過。管內外流體總體呈縱向流動,傳熱溫差推動力大,并且由于管壁與孔板之間的圓環間隙通道對流體可產生射流作用,使流體離開空口很快就形成湍流,使壁面不易結垢,殼程傳熱得到強化。但整圓形折流板增大了冷卻器殼體的直徑,并且由于缺乏管子支承結構,這種冷卻器的管束抗振性能也很差。為改進大管孔整圓形折流板的不足,在管孔之間開小孔,使傳熱介質由小孔通過折流板,這樣就不用增大殼體的直徑了。帶小孔的整圓形折流板在管孔與管子之間的間隙內很容易積垢,引起腐蝕。為了彌補這一缺陷,出現了矩形孔、梅花孔等異形孔的折流板結構,這種折流板既能支承管子,又能讓傳熱介質流過折流板,當介質流過管孔時,能產生射流,對管子有沖刷和自清潔作用,從而消除了管子結垢和垢下腐蝕。異形孔板雖然優點很多,但加工制造相對困難,費用偏高,因此工業上又出現了網狀整圓形折流板。其折流板為整圓,以每四個同一行的相鄰折流孔為一組,在小橋處銑通,殼程流體從銑口通過折流板,成全面積均勻縱向流動[2 ]。　　1. 3弓形折流板加平行分隔板　　在單弓折流隔板管殼式冷卻器的兩折流隔板間平行插入了一塊或數塊平行流分隔板,可將原通道改為多股平行通道,將原單股流分為多股平行流。這樣,就能有效控制板間回流死區的渦尺度,使板間流場得以均化及管間流阻得以減少。在Re不太高的情況下加兩塊平行流分隔板后,能在一定程度上控渦均化殼側流場,并且能起到較好的強化傳熱效果。帶平行流分隔板的弓形隔板冷卻器的強化傳熱綜合性能評價因子在測量的Re范圍內,其值約為1. 20～1. 15左右,強化因子隨Re數的增加而減小,這種強化傳熱技術適合在中低雷諾數下采用[3 ]。　　1. 4螺旋折流板　　螺旋折流板是將傳統的垂直弓形板換成螺旋狀或近似螺旋狀的折流板,折流板與冷卻器殼體橫斷面有一個傾斜角度,使得流體在殼程沿螺旋通道流動。按流道多少螺旋折流可分為單頭或雙頭。圖1為流體在弓形折流板和螺旋折流板冷卻器殼側流動情況對比的示意圖。圖1 弓形折流板冷卻器與螺旋折流板冷卻器殼側流體流動對比示意圖　　螺旋折流板冷卻器的螺旋折流板使流體在殼側呈連續柱塞狀螺旋流動(即p lug流) ,不會出現傳統折流板冷卻器內的流動“死區”,并且由于旋流產生的渦與管束傳熱界面邊界層相互作用,使湍流度大幅度增強,有利于提高殼側傳熱膜系數。　　2桿式支撐結構　　為了解決傳統折流板冷卻器因流體橫向沖刷管束引起的振動和破壞問題,出現了折流桿支承結構。折流桿支承結構由折流柵和支承桿組成。折流柵是由在一圓環(折流圈)上焊接一定數量的圓桿(折流桿)構成,每四個不完全相同的折流柵構成一折流柵組(圖2)。折流柵上的折流桿交錯穿插于管子之間,折流桿的直徑約等于相鄰管子之間的間隙,管子被折流桿緊緊夾住。由于折流桿冷卻器殼程流體為縱向流動,基本不存在流動死區。另外,流體流過折流桿(圓桿)后在其兩側交替產生和脫離旋渦(卡漫渦街) ,且流體流過折流柵時流通截面縮小,之后又擴大,從而產生文丘里效應。由于卡漫渦街和文丘里效應的作用,使流體對管壁形成較強烈的沖刷,從而減薄了傳熱邊界層,也就強化了殼程傳熱。圖2折流柵網架結構　　3空心環支撐結構　　空心環支承結構是采用空心環網板取代折流板做管間支撐物。空心環由直徑較小的鋼管截成短截,均勻地分布于管間的同一截面上,與管子呈線性接觸,使管束相對緊密固定而成。空心環支承傳熱管束的示意圖如圖3所示。采用空心環管間支承可大幅減少氣體因在殼程作反復折流而損失的流體輸送功,依靠增加管間氣速提高管外傳熱膜系數,達到流體輸送功的最佳利用。二是采用粗糙型傳熱管,如縮放管、低肋管、花瓣管等,強化流體縱向沖刷時的對流換熱。圖3空心環支承傳熱管束示意圖　　4管子自支撐結構　　為簡化管束支撐、提高冷卻器的緊湊度,近年來開發出一些自支撐管,如刺孔膜片管、螺旋扁管和變截面管等。這類管靠管自身的一部分如刺孔膜片、螺旋線或變徑部分的點接觸來支撐管子,同時又組成殼程的擾流元件,增大了流體自身的湍流度,破壞了管壁上的流體邊界層,從而使殼程傳熱進一步增強。　　5結語　　管殼式冷卻器殼程強化傳熱技術的發展表現出2個特點:一是殼程內流體流動由橫向流動變為平行于管子的縱向流動,使流動壓降減小,傳熱面積得到充分利用;二是支撐形式向著低流阻、結構簡單、制造方便和省材方向發展。通過對殼程強化傳熱研究的探討,將低流阻、高傳熱效率的殼程強化傳熱支撐結構與高效強化傳熱管相結合的復合強化傳熱技術,使整個冷卻器的傳熱綜合性能得到提高,將是管殼式冷卻器發展的方向。
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