【摘要】本文討論了管殼式換熱器新型管支撐結(jié)構(gòu)在強(qiáng)化傳熱方面所取得的。一些進(jìn)展、傳熱機(jī)理及應(yīng)用范圍，并簡介了CFD技術(shù)同管殼式換熱器結(jié)合研究的情況，提出將幾種強(qiáng)化技術(shù)和計算機(jī)輔助設(shè)計手段結(jié)合起來是將來換熱器的發(fā)展方向。
目前管殼式換熱器廣泛應(yīng)用于能源動力，石油化工等行業(yè)，隨著能源危機(jī)出現(xiàn)，對能源利用，節(jié)約要求的提高使得改善換熱器效能顯得尤為重要。而大多數(shù)管殼式換熱器的傳熱阻力都往往來自于殼側(cè)，而傳統(tǒng)的管殼式換熱器大多采用單弓形隔板支撐，這樣使流體呈“z”型流動，這種流動方式促成在隔板和管壁相連處存在流動死區(qū)，降低換熱器的傳熱性能。同時，流體在弓形隔板間的分離引起動量的急劇變化造成壓力的嚴(yán)重?fù)p失。在隔板與殼體或(和)換熱管之間存在嚴(yán)重的旁路流和泄漏流現(xiàn)象，降低流體的有效質(zhì)量流速。為了改善流體在殼側(cè)的傳熱性能，一些新型殼側(cè)支撐結(jié)構(gòu)也不斷出現(xiàn)。同時CFD技術(shù)作為可以彌補(bǔ)試驗不足、利于研究瞬態(tài)速度場和溫度場的新方法，對于研究管殼式換熱器也有著很好的應(yīng)用前景。
1新型管支撐結(jié)構(gòu)
1．1內(nèi)外導(dǎo)流筒結(jié)構(gòu)
這是開發(fā)和應(yīng)用都比較早的一種殼側(cè)結(jié)構(gòu)形式，它的主要作用是最大限度的提高換熱器進(jìn)出II區(qū)的傳熱性能。外導(dǎo)流筒(見圖1．a(chǎn))管殼式高效換熱器在強(qiáng)化傳熱、增加布管區(qū)削減不利空間、提高緊湊性、補(bǔ)償溫差應(yīng)力、改善流體分布狀況、控制流體誘導(dǎo)振動以及設(shè)備大型化等方面都具有獨(dú)特的優(yōu)勢。外導(dǎo)流筒由大柱殼、正環(huán)殼、截錐殼、負(fù)環(huán)殼和小柱殼五部分組成，結(jié)構(gòu)較復(fù)雜⋯。因而目前主要以應(yīng)用外導(dǎo)流筒為主，并與其他強(qiáng)化元件結(jié)合使用。內(nèi)導(dǎo)流筒(見圖1-b)具有結(jié)構(gòu)簡單，設(shè)備造價較低，易于推廣應(yīng)用等優(yōu)點，因此將內(nèi)導(dǎo)流筒和折流板管束換熱器結(jié)合使用應(yīng)用于化工行業(yè)是比較普遍的，它可以彌補(bǔ)外導(dǎo)流筒結(jié)構(gòu)復(fù)雜的缺點，用于冷凝器中傳熱和流阻性能都比較好 l。然而內(nèi)導(dǎo)流筒的開孔率、內(nèi)導(dǎo)流筒與殼壁的間距和開口區(qū)域角對換熱器的流阻都有很大的影響，需要在應(yīng)用時慎重選擇 l。
1．2折流桿式換熱器
折流桿式換熱器(見圖2)由排布的支撐桿和其他元件形成折流柵來代替折流板而使流體在殼程形成一系列折流，這樣既可以防震，還可以增加流動介質(zhì)的湍流度，提高管問給熱系數(shù)。殼側(cè)流體是做平行管束的軸向運(yùn)動，這種平行流動的流速會較低，換熱效果會比較差，但是流體流經(jīng)折流桿以后，能產(chǎn)生漩渦尾流，增大湍流度，進(jìn)而強(qiáng)化傳熱。另外由于流體在殼側(cè)以軸向形式流動，因此流動阻力很低，使得折流桿式換熱器壓降很低，不到弓形隔板的1／4，總傳熱系數(shù)與弓形隔板相比可提高0．3～1．4倍，氣．氣折流桿換熱器和應(yīng)用于有相變和無相變
的折流桿螺旋槽管再沸器，在使用中都獲得較滿意的效果 。
正是由于折流桿換熱器采用先進(jìn)的傳熱技術(shù)和結(jié)構(gòu)型式，因此具有傳熱系數(shù)大、流體阻力小、抗振性能好、節(jié)能降耗、設(shè)備緊湊、安裝方便等優(yōu)良特性。該換熱器用于壓縮機(jī)級問冷卻，替代套管式換熱器，其優(yōu)點更突出、節(jié)能效果更顯著 。折流桿換熱器的弱點就在于它制造方面的困難，這種換熱器中折流圈很多，而且折流圈上有很多折流桿，制造折流圈和布置折流桿在工藝上都是有困難的川。
1．3異型隔板換熱器
異形隔板 是通過對隔板的結(jié)構(gòu)和布置的改變來引起殼側(cè)流體流動速度和流型的變化，從而減少殼側(cè)易結(jié)垢的換熱死區(qū)來提高換熱系數(shù)。隔板在列管式換熱器中還有支撐管子，實現(xiàn)流體預(yù)期速度，減少管子震動的作用。目前常見的異形隔板換熱器形式主要有：雙弓形隔板，螺旋形隔板，矩形孔板、改進(jìn)型矩形孔板和梅花孔板等。
雙弓形隔板(見圖3)包括A型(雙弓形隔板)和B型(中心隔板)，A型與B型隔板沿管束方向交替排列。雙弓形隔板換熱器與間距和缺II相同的單弓型隔板換熱器相比，其壓降為后者的0．3～0．5，傳熱系數(shù)為后者的0．6～0．8。盡管壓降和傳熱系數(shù)均有所下降，但總體的傳熱性能是提高的。
孔板式換熱器是一種新型的管殼式換熱器，它用多孔的整圓孔板代替常見的單弓形隔板或者新型的折流板。它具有無流動死區(qū)和貼壁射流的優(yōu)點。因為折流板開孔分布均勻，流體呈縱向流動，使得流動死區(qū)少而且充分利用了傳熱面積。而孔板與管壁之間形成的異型小孔或環(huán)隙通道，使流體產(chǎn)生貼壁射流現(xiàn)象，使得流體離開小孔后很快可以在低雷諾數(shù)下達(dá)到湍流，并可以在高流速下，沖刷壁面，減少污垢熱阻，強(qiáng)化傳熱” 。德國GRIMMA公司制造的一種網(wǎng)狀整圓形折流板換熱器，傳熱效果優(yōu)于傳統(tǒng)的弓形隔板換熱器。
螺旋隔板換熱器(見圖4)是一種高效，緊湊的換熱設(shè)備，其性能優(yōu)于其它類型的管殼式換熱器。螺旋隔板換熱器的構(gòu)造可以解決普通弓形隔板換熱器的種種弊端。螺旋隔板換熱器中流體在殼程作螺旋運(yùn)動，流體在流道內(nèi)流動長度增加且流動平滑，因而在流道中流速和壓差分布比較均勻，從而帶來一系列優(yōu)點：擋板和管束或(和)殼壁之間的泄漏流和旁路流及反混現(xiàn)象會大量的減少且對傳熱的影響減弱；基本消除了流動死區(qū)，提高了換熱器的抗垢性能和殼程的傳熱系數(shù)并降低了壓降。此外這種結(jié)構(gòu)還能增強(qiáng)管柬的穩(wěn)定性，防止震動。實驗結(jié)果表面，螺旋隔壁換熱器應(yīng)用于空氣冷卻器，水蒸氣拎凝器、油冷器的傳熱效果都明顯優(yōu)于普通弓形隔壁換熱器0 J4-J sl。
1．4空心環(huán)結(jié)構(gòu)
圖5是管殼式換熱器空心環(huán)支撐結(jié)構(gòu)的示意圖 ，這種管殼式換熱器以強(qiáng)化管型作為換熱管，空隙率大，流動阻力比較小，流體的壓降表現(xiàn)為在粗糙壁面上流體湍流度增強(qiáng)，進(jìn)而強(qiáng)化傳熱。也就是說，流體動力不是完全的損耗掉了。而且用這種結(jié)構(gòu)形式代替折流板，能夠降低換熱器鋼材的消耗量，可以減少35～50％，還可以使氣體壓降減少30~40％。這種結(jié)構(gòu)是由華南理工大學(xué)化工學(xué)院傳熱強(qiáng)化與過程節(jié)能重點實驗室鄧先和等人發(fā)明，解決了石油化工等行業(yè)應(yīng)用的傳統(tǒng)管殼式換熱器的種種弊端，例如傳熱性能差、鋼材耗量大、流阻比較大，系統(tǒng)整體耗電量大等 ”
2 CFD技術(shù)的應(yīng)用
CFD是在實驗和解析之后又一種研究流體流動、傳熱和化學(xué)反應(yīng)的方法，可以彌補(bǔ)試驗耗資大、周期長等缺點，運(yùn)用CFD技術(shù)對管殼式換熱器的殼側(cè)流場進(jìn)行計算機(jī)模擬，可以對其他方法難以掌握的殼側(cè)瞬態(tài)的溫度場和速度場有所了解，利于換熱器的機(jī)理分析和結(jié)構(gòu)優(yōu)化。目前比較常見的模擬軟件主要有phoenics，fluent等，利用模擬軟件進(jìn)行模擬，使CFD技術(shù)與實驗研究相輔相成，以便更好地進(jìn)行殼程流體流動的分析和設(shè)計優(yōu)化。
例如通過對立式螺旋隔板換熱器殼側(cè)的模擬結(jié)果 與弓形隔板換熱器殼側(cè)的流動分布來比較它們結(jié)構(gòu)的不同所引起的性能的優(yōu)劣。
圖6則分別為立式螺旋隔板(螺旋角為30o)和弓形隔板流體流動的正面同側(cè)面視圖，從圖中可以看出，同弓形隔板相比，螺旋隔板這種管束支撐結(jié)構(gòu)應(yīng)用于立式換熱器主要具有以下幾方面的優(yōu)點：
(1)大大的減少了旁路流的問題；
(2)重力作用下，流體更有效的沖刷壁面使流體在貼近管壁處沿著壁面流動，而弓彤隔板會產(chǎn)生大量的流動死區(qū)；
(3)流體對弓形隔板的撞擊更大，這樣會導(dǎo)致板的震動和壓降損失。
3.小結(jié)
殼程的傳熱強(qiáng)化是管殼式換熱器傳熱強(qiáng)化的一個重要方面，因此一直以來人們在各個方面進(jìn)行了大量的研究，然而高效的換熱設(shè)備在研制和應(yīng)用中，需要多種強(qiáng)化技術(shù)和輔助手段的綜合運(yùn)用，CFD技術(shù)有益于換熱器的優(yōu)化設(shè)計和評估性能優(yōu)良。因此將來換熱器的發(fā)展方向是將多種強(qiáng)化傳熱技術(shù)與計算機(jī)輔助設(shè)計手段結(jié)合運(yùn)用。
目前管殼式換熱器廣泛應(yīng)用于能源動力，石油化工等行業(yè)，隨著能源危機(jī)出現(xiàn)，對能源利用，節(jié)約要求的提高使得改善換熱器效能顯得尤為重要。而大多數(shù)管殼式換熱器的傳熱阻力都往往來自于殼側(cè)，而傳統(tǒng)的管殼式換熱器大多采用單弓形隔板支撐，這樣使流體呈“z”型流動，這種流動方式促成在隔板和管壁相連處存在流動死區(qū)，降低換熱器的傳熱性能。同時，流體在弓形隔板間的分離引起動量的急劇變化造成壓力的嚴(yán)重?fù)p失。在隔板與殼體或(和)換熱管之間存在嚴(yán)重的旁路流和泄漏流現(xiàn)象，降低流體的有效質(zhì)量流速。為了改善流體在殼側(cè)的傳熱性能，一些新型殼側(cè)支撐結(jié)構(gòu)也不斷出現(xiàn)。同時CFD技術(shù)作為可以彌補(bǔ)試驗不足、利于研究瞬態(tài)速度場和溫度場的新方法，對于研究管殼式換熱器也有著很好的應(yīng)用前景。
1新型管支撐結(jié)構(gòu)
1．1內(nèi)外導(dǎo)流筒結(jié)構(gòu)
這是開發(fā)和應(yīng)用都比較早的一種殼側(cè)結(jié)構(gòu)形式，它的主要作用是最大限度的提高換熱器進(jìn)出II區(qū)的傳熱性能。外導(dǎo)流筒(見圖1．a(chǎn))管殼式高效換熱器在強(qiáng)化傳熱、增加布管區(qū)削減不利空間、提高緊湊性、補(bǔ)償溫差應(yīng)力、改善流體分布狀況、控制流體誘導(dǎo)振動以及設(shè)備大型化等方面都具有獨(dú)特的優(yōu)勢。外導(dǎo)流筒由大柱殼、正環(huán)殼、截錐殼、負(fù)環(huán)殼和小柱殼五部分組成，結(jié)構(gòu)較復(fù)雜⋯。因而目前主要以應(yīng)用外導(dǎo)流筒為主，并與其他強(qiáng)化元件結(jié)合使用。內(nèi)導(dǎo)流筒(見圖1-b)具有結(jié)構(gòu)簡單，設(shè)備造價較低，易于推廣應(yīng)用等優(yōu)點，因此將內(nèi)導(dǎo)流筒和折流板管束換熱器結(jié)合使用應(yīng)用于化工行業(yè)是比較普遍的，它可以彌補(bǔ)外導(dǎo)流筒結(jié)構(gòu)復(fù)雜的缺點，用于冷凝器中傳熱和流阻性能都比較好 l。然而內(nèi)導(dǎo)流筒的開孔率、內(nèi)導(dǎo)流筒與殼壁的間距和開口區(qū)域角對換熱器的流阻都有很大的影響，需要在應(yīng)用時慎重選擇 l。
1．2折流桿式換熱器
折流桿式換熱器(見圖2)由排布的支撐桿和其他元件形成折流柵來代替折流板而使流體在殼程形成一系列折流，這樣既可以防震，還可以增加流動介質(zhì)的湍流度，提高管問給熱系數(shù)。殼側(cè)流體是做平行管束的軸向運(yùn)動，這種平行流動的流速會較低，換熱效果會比較差，但是流體流經(jīng)折流桿以后，能產(chǎn)生漩渦尾流，增大湍流度，進(jìn)而強(qiáng)化傳熱。另外由于流體在殼側(cè)以軸向形式流動，因此流動阻力很低，使得折流桿式換熱器壓降很低，不到弓形隔板的1／4，總傳熱系數(shù)與弓形隔板相比可提高0．3～1．4倍，氣．氣折流桿換熱器和應(yīng)用于有相變和無相變
的折流桿螺旋槽管再沸器，在使用中都獲得較滿意的效果 。
正是由于折流桿換熱器采用先進(jìn)的傳熱技術(shù)和結(jié)構(gòu)型式，因此具有傳熱系數(shù)大、流體阻力小、抗振性能好、節(jié)能降耗、設(shè)備緊湊、安裝方便等優(yōu)良特性。該換熱器用于壓縮機(jī)級問冷卻，替代套管式換熱器，其優(yōu)點更突出、節(jié)能效果更顯著 。折流桿換熱器的弱點就在于它制造方面的困難，這種換熱器中折流圈很多，而且折流圈上有很多折流桿，制造折流圈和布置折流桿在工藝上都是有困難的川。
1．3異型隔板換熱器
異形隔板 是通過對隔板的結(jié)構(gòu)和布置的改變來引起殼側(cè)流體流動速度和流型的變化，從而減少殼側(cè)易結(jié)垢的換熱死區(qū)來提高換熱系數(shù)。隔板在列管式換熱器中還有支撐管子，實現(xiàn)流體預(yù)期速度，減少管子震動的作用。目前常見的異形隔板換熱器形式主要有：雙弓形隔板，螺旋形隔板，矩形孔板、改進(jìn)型矩形孔板和梅花孔板等。
雙弓形隔板(見圖3)包括A型(雙弓形隔板)和B型(中心隔板)，A型與B型隔板沿管束方向交替排列。雙弓形隔板換熱器與間距和缺II相同的單弓型隔板換熱器相比，其壓降為后者的0．3～0．5，傳熱系數(shù)為后者的0．6～0．8。盡管壓降和傳熱系數(shù)均有所下降，但總體的傳熱性能是提高的。
孔板式換熱器是一種新型的管殼式換熱器，它用多孔的整圓孔板代替常見的單弓形隔板或者新型的折流板。它具有無流動死區(qū)和貼壁射流的優(yōu)點。因為折流板開孔分布均勻，流體呈縱向流動，使得流動死區(qū)少而且充分利用了傳熱面積。而孔板與管壁之間形成的異型小孔或環(huán)隙通道，使流體產(chǎn)生貼壁射流現(xiàn)象，使得流體離開小孔后很快可以在低雷諾數(shù)下達(dá)到湍流，并可以在高流速下，沖刷壁面，減少污垢熱阻，強(qiáng)化傳熱” 。德國GRIMMA公司制造的一種網(wǎng)狀整圓形折流板換熱器，傳熱效果優(yōu)于傳統(tǒng)的弓形隔板換熱器。
螺旋隔板換熱器(見圖4)是一種高效，緊湊的換熱設(shè)備，其性能優(yōu)于其它類型的管殼式換熱器。螺旋隔板換熱器的構(gòu)造可以解決普通弓形隔板換熱器的種種弊端。螺旋隔板換熱器中流體在殼程作螺旋運(yùn)動，流體在流道內(nèi)流動長度增加且流動平滑，因而在流道中流速和壓差分布比較均勻，從而帶來一系列優(yōu)點：擋板和管束或(和)殼壁之間的泄漏流和旁路流及反混現(xiàn)象會大量的減少且對傳熱的影響減弱；基本消除了流動死區(qū)，提高了換熱器的抗垢性能和殼程的傳熱系數(shù)并降低了壓降。此外這種結(jié)構(gòu)還能增強(qiáng)管柬的穩(wěn)定性，防止震動。實驗結(jié)果表面，螺旋隔壁換熱器應(yīng)用于空氣冷卻器，水蒸氣拎凝器、油冷器的傳熱效果都明顯優(yōu)于普通弓形隔壁換熱器0 J4-J sl。
1．4空心環(huán)結(jié)構(gòu)
圖5是管殼式換熱器空心環(huán)支撐結(jié)構(gòu)的示意圖 ，這種管殼式換熱器以強(qiáng)化管型作為換熱管，空隙率大，流動阻力比較小，流體的壓降表現(xiàn)為在粗糙壁面上流體湍流度增強(qiáng)，進(jìn)而強(qiáng)化傳熱。也就是說，流體動力不是完全的損耗掉了。而且用這種結(jié)構(gòu)形式代替折流板，能夠降低換熱器鋼材的消耗量，可以減少35～50％，還可以使氣體壓降減少30~40％。這種結(jié)構(gòu)是由華南理工大學(xué)化工學(xué)院傳熱強(qiáng)化與過程節(jié)能重點實驗室鄧先和等人發(fā)明，解決了石油化工等行業(yè)應(yīng)用的傳統(tǒng)管殼式換熱器的種種弊端，例如傳熱性能差、鋼材耗量大、流阻比較大，系統(tǒng)整體耗電量大等 ”
2 CFD技術(shù)的應(yīng)用
CFD是在實驗和解析之后又一種研究流體流動、傳熱和化學(xué)反應(yīng)的方法，可以彌補(bǔ)試驗耗資大、周期長等缺點，運(yùn)用CFD技術(shù)對管殼式換熱器的殼側(cè)流場進(jìn)行計算機(jī)模擬，可以對其他方法難以掌握的殼側(cè)瞬態(tài)的溫度場和速度場有所了解，利于換熱器的機(jī)理分析和結(jié)構(gòu)優(yōu)化。目前比較常見的模擬軟件主要有phoenics，fluent等，利用模擬軟件進(jìn)行模擬，使CFD技術(shù)與實驗研究相輔相成，以便更好地進(jìn)行殼程流體流動的分析和設(shè)計優(yōu)化。
例如通過對立式螺旋隔板換熱器殼側(cè)的模擬結(jié)果 與弓形隔板換熱器殼側(cè)的流動分布來比較它們結(jié)構(gòu)的不同所引起的性能的優(yōu)劣。
圖6則分別為立式螺旋隔板(螺旋角為30o)和弓形隔板流體流動的正面同側(cè)面視圖，從圖中可以看出，同弓形隔板相比，螺旋隔板這種管束支撐結(jié)構(gòu)應(yīng)用于立式換熱器主要具有以下幾方面的優(yōu)點：
(1)大大的減少了旁路流的問題；
(2)重力作用下，流體更有效的沖刷壁面使流體在貼近管壁處沿著壁面流動，而弓彤隔板會產(chǎn)生大量的流動死區(qū)；
(3)流體對弓形隔板的撞擊更大，這樣會導(dǎo)致板的震動和壓降損失。
3.小結(jié)
殼程的傳熱強(qiáng)化是管殼式換熱器傳熱強(qiáng)化的一個重要方面，因此一直以來人們在各個方面進(jìn)行了大量的研究，然而高效的換熱設(shè)備在研制和應(yīng)用中，需要多種強(qiáng)化技術(shù)和輔助手段的綜合運(yùn)用，CFD技術(shù)有益于換熱器的優(yōu)化設(shè)計和評估性能優(yōu)良。因此將來換熱器的發(fā)展方向是將多種強(qiáng)化傳熱技術(shù)與計算機(jī)輔助設(shè)計手段結(jié)合運(yùn)用。