摘　要:介紹了換熱器殼程強(qiáng)化傳熱的研究現(xiàn)狀;分析了弓形折流板換熱器傳熱效率差的原因;闡述了螺旋折流板換熱器殼程強(qiáng)化傳熱的原理;對(duì)螺旋折流板換熱器與弓形折流板換熱器的技術(shù)性能進(jìn)行了對(duì)比和經(jīng)濟(jì)效益分析;列舉了螺旋折流板換熱器的工程應(yīng)用實(shí)例,并指出,螺旋折流板換熱器的出現(xiàn)使換熱設(shè)備大型化成為可能。
    關(guān)鍵詞:管殼式換熱器;殼程強(qiáng)化傳熱;螺旋折流板;弓形折流板;工程應(yīng)用
　　在動(dòng)力、化工、煉油、制冷等工業(yè)中,換熱器不僅是*的工藝設(shè)備,而且在金屬消耗和投資方面也占有較大的比重。
    在換熱設(shè)備中,管殼式換熱器占50%～70%。我國現(xiàn)行服役的換熱設(shè)備大多采用20世紀(jì)50年代國外早期的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu),換熱效率較低、阻力降大、易結(jié)垢,停工檢修頻繁。幾十年來,雖做了不少的改進(jìn),但基本上保持原設(shè)計(jì)思想,尤其是殼程流動(dòng)方式幾乎沒有太大的進(jìn)展,仍沿襲傳統(tǒng)的垂直弓形板橫向流,使得換熱設(shè)備的傳熱系數(shù)Ｋ值一直停滯在較低的狀態(tài)。
    管殼式換熱器強(qiáng)化傳熱方式主要有二種:一是主動(dòng)式強(qiáng)化傳熱,這是以消耗外部能量為代價(jià)的,如采用電場(chǎng)、磁場(chǎng)、光照射、攪拌、噴射沖擊、流體振動(dòng)、機(jī)械表面振動(dòng)等手段,目前國外已將主動(dòng)式強(qiáng)化傳熱的研究工作列為重點(diǎn);二是被動(dòng)式強(qiáng)化傳熱。由傳熱速率方程Ｑ=ＫＡΔｔｍ可知,強(qiáng)化傳熱可以從提高傳熱系數(shù)Ｋ、擴(kuò)大傳熱面積Ａ和增大傳熱溫差Δｔｍ三種途徑來實(shí)現(xiàn)。但是增大傳熱面積Ａ與提高平均溫差Δｔｍ明顯地受到生產(chǎn)工藝、設(shè)備條件、環(huán)境條件以及經(jīng)濟(jì)性等方面的限制。因此,提高傳熱系數(shù)Ｋ（主要提高較小的對(duì)流傳熱系數(shù)α1）及提高傳熱速率Ｑ（減少污垢熱阻）,是研究強(qiáng)化傳熱的重點(diǎn),以改善管程、殼程流體自身流動(dòng)狀態(tài)來實(shí)現(xiàn)強(qiáng)化傳熱居多。
    首先在換熱設(shè)備兩個(gè)傳熱界面之一的管程,其強(qiáng)化傳熱實(shí)驗(yàn)比較容易實(shí)現(xiàn),因而,對(duì)其理論研究和應(yīng)用研究也進(jìn)行得較為*和完善,采用了螺紋管、異形管、內(nèi)插物等強(qiáng)化傳熱新技術(shù),使管程傳熱有了較大的突破。但從間壁傳熱原理上講,控制一臺(tái)換熱設(shè)備熱效率的是傳熱能力相對(duì)較差一側(cè)的傳熱能力,而這一側(cè)往往是殼程。對(duì)于強(qiáng)化殼程傳熱的研究較管程進(jìn)展緩慢得多,主要是研究費(fèi)用較大,且難于實(shí)現(xiàn)所致,但也做了大量的工作。
    1　殼程強(qiáng)化傳熱研究發(fā)展?fàn)顩r
    對(duì)于殼程的強(qiáng)化傳熱來說,由于其影響因素比較多,所以有關(guān)的研究開展還不是很多。目前主要在管型和支撐結(jié)構(gòu)上有一些進(jìn)展。
    對(duì)管型的研究與強(qiáng)化管程傳熱比較類似,是以改變管子的形狀結(jié)構(gòu),使管外的傳熱得到強(qiáng)化;但是這類管同時(shí)還要考慮支撐的影響,所以這種管子和強(qiáng)化管內(nèi)傳熱的管既有又有區(qū)別。
    低肋管[1,2]（又稱螺紋管）主要是靠管外肋化來擴(kuò)大傳熱面積,一般適用于強(qiáng)化管外的傳熱;在管外有相變的情況下,也有較好的強(qiáng)化傳熱效果。
    螺旋扁管[3,4]是由圓管軋制的具有一定導(dǎo)程的強(qiáng)化傳熱管,管子在殼體內(nèi)緊密排列,殼程流體受離心力的作用周期性改變流速和流動(dòng)方向,從而強(qiáng)化了傳熱。　　傳統(tǒng)管殼式換熱器管束的支撐結(jié)構(gòu)一般都是單弓形（或多弓形）折流板和支持板,這樣就會(huì)導(dǎo)致殼程的壓力降大,出現(xiàn)死區(qū),還有可能使管子產(chǎn)生流體誘導(dǎo)振動(dòng)。針對(duì)這些問題,一些新型的折流板就出現(xiàn)了。
    整圓形折流板[4,5]就是其中的一種。這種折流板不是開弓形缺口,而是在板上鉆大圓孔,既讓管子能夠穿過,又留出空隙使殼程流體通過。這種結(jié)構(gòu)死區(qū)少,壓降低,且在圓環(huán)形的間隙中會(huì)出現(xiàn)射流,提高湍流度。但這種結(jié)構(gòu)必須增大管間距或留下一些不布管區(qū),于是就增加了殼體直徑。有的整圓形折流板還在大孔中間加一些小孔,這樣有效地改進(jìn)整圓形折流板,但這種結(jié)構(gòu)的折流板在管孔與管子之間容易結(jié)垢,并導(dǎo)致腐蝕。
    異形孔整圓形折流板[5]是在整圓形折流板上開出矩形、梅花形等各種形狀的開口。這兩種結(jié)構(gòu)既能支撐管子,又能使介質(zhì)順利流過折流板。它們均具有壓力降小、傳熱性能好、防止管束振動(dòng)等優(yōu)點(diǎn),但加工制造比較困難。
    針對(duì)異形孔折流板的缺點(diǎn),工業(yè)中又出現(xiàn)了網(wǎng)狀整圓形折流板[5～7]。其制造方法是先按普通折流板制造,然后將折流板上的橫排圓孔以4個(gè)圓孔為一組,將管橋銑通。這樣就不需要的沖壓模具,又具有壓力降小、傳熱性能好等優(yōu)點(diǎn)。這種新型折流板是由德國的ＧＲＩＭＭＡ公司在1991年推出的,其傳熱性能在中、低粘度范圍內(nèi)效果明顯優(yōu)于傳統(tǒng)的單弓形折流板換熱器。
    但是板式支承結(jié)構(gòu)固有的缺陷仍然沒有得到根本的改變,于是出現(xiàn)了一種新型支承結(jié)構(gòu)———折流桿式支承結(jié)構(gòu)[8～11]。由于它的軸向流動(dòng)方式,減少了殼程流體的滯流、回流和死區(qū),提高了Ｐｅ值（佩克萊常數(shù)）、減少了壓降和污垢沉積,由于桿后的卡門渦街脫落效應(yīng)在傳熱管子表面產(chǎn)生紊流,提高了殼程側(cè)膜的傳熱系數(shù)。折流桿的夾持作用又抑制了破壞性振動(dòng),使換熱設(shè)備大型化成為可能。所以這種新型換熱器引起了國內(nèi)外學(xué)者的廣泛注意。但是這種結(jié)構(gòu)殼程流體為縱向流動(dòng),必須在高速流動(dòng)狀態(tài)下才能顯示其良好的性能,而且折流圈的數(shù)量比較大,安裝和檢修都不方便,且由于折流圈的存在,不布管區(qū)也比較大?？梢?折流桿換熱器還有其局限性,特別是在低Ｒｅ數(shù)時(shí),高粘度介質(zhì)中很難形成有效的卡門渦街,達(dá)不到高傳熱效率的要求。為了進(jìn)一步提高殼程的傳熱能力,就產(chǎn)生了一種新型殼程強(qiáng)化傳熱換熱器———螺旋折流板式列管換熱器[11～19]。
    螺旋折流板換熱器是一種管殼式換熱器,介質(zhì)在其殼程中的流動(dòng)既不是橫向流,也不是縱向流,而是一種螺旋狀斜向流。這種流動(dòng)方式能適用于包括高粘度原油、渣油在內(nèi)的所有介質(zhì),這種結(jié)構(gòu)顯著地提高了傳熱效率,大幅度降低了壓力降,控制了振動(dòng)造成的破壞,減少了污垢沉積的可能性,為換熱設(shè)備大型化提供了廣闊的前景。
    2　螺旋折流板換熱器強(qiáng)化傳熱的原理
    2.1　弓形折流板換熱器傳熱效率差的原因分析
    傳統(tǒng)的管殼式換熱器強(qiáng)化傳熱的原因在于折流板的存在,折流板促使流體流動(dòng)方向劇烈地改變,使流體更易產(chǎn)生湍流。然而,這種結(jié)構(gòu)的換熱器有其自身不可克服的缺點(diǎn)。
    （1）流體流向的劇烈改變,造成對(duì)換熱器的沖擊,易使換熱器產(chǎn)生振動(dòng)破壞;
    （2）流體流向的頻繁改變,造成流體能量損失增加,沿程壓力降大大增加;
    （3）流體基本上沿垂直管束中心線流動(dòng),因此,在折流板與殼體的交角處有較大的流動(dòng)死區(qū),減少了有效傳熱面積,并在死區(qū)內(nèi)形成傳熱垢層,降低傳熱效率,如圖1所示。 
 
    2.2　螺旋折流板換熱器殼程強(qiáng)化傳熱的原理
    螺旋折流板換熱器突破了殼程介質(zhì)“Ｚ”形折返的傳統(tǒng)方式。它由若干塊四分之一殼程橫截面的扇形板組裝成螺旋狀折流板,介質(zhì)自殼體進(jìn)口向出口螺旋推進(jìn),如圖2所示。'

　　介質(zhì)在殼體內(nèi)連續(xù)平穩(wěn)旋轉(zhuǎn)流動(dòng),避免了大斜度折返帶來的嚴(yán)重壓力損失,此種結(jié)構(gòu)壓力降低,故可以利用不同角度調(diào)整流通截面,使提高流速成為可能。大量的實(shí)驗(yàn)證明,高的膜傳熱系數(shù)來源于大的Ｒｅ數(shù),而高的流速是提高Ｒｅ數(shù)的一個(gè)重要條件。這一條件是傳統(tǒng)弓形折流板所不可能達(dá)到的。螺旋折流板改變了殼體結(jié)構(gòu),在保持較低壓力降的情況下大幅度提高了介質(zhì)流速,這樣,Ｒｅ數(shù)的增加為提高膜傳熱系數(shù)提供了可能。同時(shí)由于折流板是螺旋狀結(jié)構(gòu),使得介質(zhì)形成一個(gè)旋渦,從圓心到半徑方向存在較大的速度梯度,這個(gè)速度梯度場(chǎng)能在管子表面產(chǎn)生湍流,使邊界層減薄,更有利于提高膜傳熱系數(shù)。另外由于連續(xù)的螺旋支撐,減小了管束跨距,提高了管子的固有頻率,避開了流體的激振頻率,從而消除了產(chǎn)生共振的可能性,避免了振動(dòng)引起的破壞,延長設(shè)備運(yùn)行壽命,降低設(shè)備維修費(fèi)用。由于流體螺旋運(yùn)動(dòng)的有效沖刷作用,可減少污垢沉積,熱阻穩(wěn)定,使換熱器一直處于運(yùn)行狀態(tài),達(dá)到節(jié)能的目的。
    采用螺旋折流板形式的冷凝器也具有明顯的優(yōu)勢(shì)。由于傳統(tǒng)的列管式冷凝器采用垂直于管束的折流結(jié)構(gòu),大部分管子長度在垂直方向沒有任何連接或引流條件,在上一排管子表面凝結(jié)的液體自然下落到下一排管子表面,形成一個(gè)不利于熱量傳導(dǎo)的液膜。隨著管束排數(shù)的增多,液膜逐漸加厚,就更明顯削弱了傳熱效果,這一點(diǎn)可以從努塞爾特經(jīng)典的冷凝關(guān)聯(lián)式看到:
　　　　α=0.725[ｒρ2ｇλ3/μｄ0Δｔ]0.25（1）
        αｎ=0.725[ｒρ2ｇλ3/μｄ0ｎΔｔ]0.25（2）
    式中:α———單排管冷凝膜傳熱系數(shù),Ｗ/（ｍ2·Ｋ）;αｎ———ｎ排管冷凝膜傳熱系數(shù),Ｗ/（ｍ2·Ｋ）;ｎ———冷凝管排數(shù);ｒ———蒸發(fā)潛熱;μ———粘度,Ｐａ·ｓ;ｄ0———管子直徑（外徑）,ｍｍ;ｇ———重力加速度,ｍ/ｓ2;ρ———密度,ｔ/ｍ3;λ———導(dǎo)熱系數(shù),Ｗ/（ｍ·Ｋ）;Δｔ———溫度差,℃。兩者的差別為[ｌ/ｎ]0.25倍,這在大型管束上是一個(gè)不容忽視的熱效率損失。螺旋折流板結(jié)構(gòu)可以從根本上改善這一狀態(tài)。傾斜的折流板把各排管子連接起來,每根管子表面的冷凝液可以由斜板引到殼體底部去,避免了各排管子由上方流下來的冷凝液的覆蓋而降低換熱效果。這也是螺旋折流板冷凝器能提高換熱效率的基本原理之一。
    螺旋折流板換熱器的綜合性能（單位壓降下的膜傳熱系數(shù)）比垂直弓形折流板換熱器高2倍左右;許多工況下的Ｋ值可提高0.3～0.5倍。螺旋折流板換熱器以平穩(wěn)的介質(zhì)流態(tài)代替了傳統(tǒng)的弓形垂直折流板“Ｚ”形折返流態(tài),壓力損失可大幅度減少,zui高達(dá)70%。
    3　螺旋折流板換熱器的優(yōu)點(diǎn)與經(jīng)濟(jì)效益分析
    3.1　螺旋折流板換熱器與弓形折流板換熱器技術(shù)性能對(duì)比
    螺旋折流板換熱器與垂直弓形折流板換熱器相比,其殼程單位壓降下的傳熱系數(shù)（α0/Δｐ）可提高0.6～2倍;壓降損失減少30%～70%;可以減緩污垢沉積,保持Ｋ值穩(wěn)定,延長清洗周期3～5倍;可以防止振動(dòng)損壞,利于大型化;可以適用于各種介質(zhì),特別是高粘度介質(zhì);螺旋折流板對(duì)冷凝器管束液膜有引流功能,可有效減薄液膜厚度,提高冷凝效果;減少新裝置投資和維護(hù)費(fèi)用。
    3.2　經(jīng)濟(jì)效益分析
    圖3是同等換熱能力的螺旋折流板換熱器與弓形折流板換熱器回收熱能的對(duì)比,其中斜線面積為用戶多回收的熱能。相同換熱能力的螺旋折流板換熱器設(shè)計(jì)面積平均比弓形折流板換熱器減少30%。%
 
　　圖4是換熱面積相同的螺旋折流板換熱器與弓形折流板換熱器熱回收能力的對(duì)比。此種情況多出現(xiàn)在擴(kuò)能改造中,殼體和換熱器區(qū)配管不動(dòng),只改動(dòng)芯子（管束）,一般可以提高換熱能力1.3倍。

　　圖5是螺旋折流板換熱器與弓形折流板換熱器殼程壓力損失的對(duì)比。其中斜線部分為機(jī)泵節(jié)約的電能,由于系統(tǒng)壓力整體下降有利于改善靜密封的泄漏問題。
 
    4　螺旋折流板換熱器的工程應(yīng)用
    在我國這種新型換熱器日益受到關(guān)注和認(rèn)可。由大連海特傳熱技術(shù)有限公司設(shè)計(jì)制造的zui大螺旋折流板換熱器直徑為4ｍ、管長為8ｍ（蒸汽稀釋發(fā)生器）,用在撫順乙烯裝置;另外十余臺(tái)分別用于撫順石油一廠、二廠、三廠和盤錦煉油廠的催化、常減壓及焦化裝置上。使用結(jié)果表明,各種性能指標(biāo)均優(yōu)于原弓形折流板換熱器。據(jù)統(tǒng)計(jì),采用螺旋折流板換熱器熱效率都有大幅度提高。同時(shí)由于提高了Ｋ值,減少了換熱面積,大大減少了金屬消耗,從而降低了裝置的設(shè)備投資。某煉油廠常減壓蒸餾裝置試運(yùn)一臺(tái)新型螺旋折流板換熱器（改造前是垂直弓形折流板換熱器）,其管程介質(zhì)為水,殼程介質(zhì)為渣油。設(shè)備投入使用后,運(yùn)行穩(wěn)定。改造前后標(biāo)定數(shù)據(jù)和計(jì)算結(jié)果如表1所示。
    技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析如下:
    （1）改造前垂直弓形折流板換熱器的年換熱量為294.59ｋＷ×24×365=2580.63ＭＷ;改造后試用的螺旋折流板換熱器的年換熱量為:589.14ｋＷ×24×365=5160.87ＭＷ。因此改造后的螺旋折流板換熱器比改造前的弓形垂直折流板換熱器一年可多換熱:5160.87-2580.63=2580.24ＭＷ。
 
　　增加的換熱能力如果折合成重油為222ｔ,現(xiàn)市場(chǎng)重油銷售價(jià)在0.10～0.15萬元/ｔ浮動(dòng),如果按平均市場(chǎng)價(jià)0.125萬元/ｔ計(jì)算,折合人民幣27.75萬元/ａ。本次試用的螺旋折流板換熱器比弓形折流板換熱器芯子多付出3.2萬元,用0.12年即可回收多付出的投資。
    （2）由于螺旋流動(dòng)狀態(tài),螺旋折流板換熱器殼程介質(zhì)不易沉積,不易結(jié)垢,一般可延長50%的使用周期,減少相應(yīng)的檢修、清洗費(fèi)用,同時(shí)可以按照停產(chǎn)檢修時(shí)間差別,計(jì)算相應(yīng)減少的停產(chǎn)損失費(fèi)用。
    （3）該設(shè)備因螺旋流動(dòng)方式,阻力降小,可以有效地降低壓力損失,減少電耗。
    5　結(jié)束語
    煉油廠設(shè)備大型化是提高煉油廠效益的主要途徑,但弓形折流板換熱器大型化面臨著很難逾越的障礙（振動(dòng)失效和壓降大兩個(gè)致命弱點(diǎn)）,且板式換熱器防污垢沉積問題也降低了其在煉油廠的應(yīng)用效果。目前大的換熱設(shè)備換熱面積只有1000～2000ｍ2,而國外可達(dá)5000～6000ｍ2,甚至更多。它們的訣竅就是采用了螺旋折流板新型結(jié)構(gòu)。螺旋折流板換熱器的殼程既不是橫向流,也不是縱向流,而是一種螺旋狀斜向流,該種流動(dòng)方式能適用于包括高粘度原油、渣油在內(nèi)的所有介質(zhì),這種結(jié)構(gòu)顯著地提高了傳熱效率,大幅度降低了壓力降,控制了振動(dòng)造成的破壞,減少了污垢沉積的可能性,為換熱設(shè)備大型化提供了極大的可能。
    由于螺旋折流板換熱器和傳統(tǒng)換熱器的區(qū)別于殼程折流板的結(jié)構(gòu),管束和殼體配合尺寸都不變,可以自由地插入到原換熱器殼體中,不需要更換殼體,更不需要改變配管和安裝位置。這一特點(diǎn)非常適用于正常檢修期間更換管束,減少了更新改造的復(fù)雜程度并降低檢修費(fèi)用。因此,螺旋折流板換熱器在我國化工、石油化工等行業(yè)中將有著廣闊的應(yīng)用前景。