殷小明*

（上海市特種設(shè)備監(jiān)督檢驗(yàn)技術(shù)研究院）

0 引言

各種化工原料的生產(chǎn)過程都需要進(jìn)行熱量交換及傳遞，其中應(yīng)用最廣泛的化工換熱設(shè)備是管殼式換熱器，其結(jié)構(gòu)簡單、選材范圍廣、可靠性強(qiáng)，且能在高溫高壓環(huán)境中使用。隨著能源危機(jī)加劇，自然資源短缺和企業(yè)大規(guī)模生產(chǎn)程度推進(jìn)，對管殼式換熱器的需求量也不斷增大。針對管殼式換熱器的流動(dòng)傳熱特性的研究一直在進(jìn)行，旨在優(yōu)化換熱器結(jié)構(gòu)、提升換熱器換熱效率并降低其失效風(fēng)險(xiǎn)。

本文分別從殼程結(jié)構(gòu)及流體特性兩個(gè)方面對管殼式換熱器的流動(dòng)傳熱特性進(jìn)行綜述，其中殼程結(jié)構(gòu)主要包括管束支撐結(jié)構(gòu)、換熱管外表面結(jié)構(gòu)及管束的排列方式，流體特性主要為流體進(jìn)口速度，分別綜述了相關(guān)因素對管殼式換熱器殼流動(dòng)傳熱特性的影響。

1 殼程結(jié)構(gòu)對管殼式換熱器流動(dòng)傳熱特性的影響

管殼式換熱器內(nèi)的冷熱流體主要通過換熱管外壁面進(jìn)行熱量傳遞和交換，殼程是換熱管外流體流經(jīng)的區(qū)域。殼程結(jié)構(gòu)形式包括換熱管外表面結(jié)構(gòu)、管束支撐結(jié)構(gòu)及管束的排列方式，這些因素都會對流體的流動(dòng)傳特性、沿程阻力及壓降產(chǎn)生影響。

1.1 管束支撐結(jié)構(gòu)

管殼式換熱器支撐結(jié)構(gòu)形式包括折流板、折流桿及空心環(huán)等，其不僅可以支撐管束，還可以改變流體流動(dòng)方向，增強(qiáng)流體擾動(dòng)程度，提高換熱效率。殼程流體存在流動(dòng)“死區(qū)”，應(yīng)改進(jìn)管束支撐結(jié)構(gòu)，盡可能消除流體流動(dòng)傳熱“死區(qū)”，提高殼程綜合換熱能力。大量學(xué)者對管束支撐結(jié)構(gòu)進(jìn)行了相關(guān)研究，其中最常見的支撐結(jié)構(gòu)是折流板，折流板的結(jié)構(gòu)形式包括弓形折流板、螺旋式折流板及盤形-圓環(huán)形折流板等。不同結(jié)構(gòu)形式的折流板適用場所不同，其影響因素也有差異。折流板的流體橫向沖刷管束，且部分逆流；圓形孔板的流體縱向沖刷管束，流體完全逆流。弓形板是較常用的折流板，其結(jié)構(gòu)形式可分為單弓形、雙弓形及多弓形，傳統(tǒng)的管殼式換熱器管束支撐結(jié)構(gòu)采用單弓形折流板支撐管束，其作用是阻止換熱管因流體誘發(fā)振動(dòng)，流體誘發(fā)振動(dòng)的機(jī)理主要包括渦旋脫落、紊流抖振、流體彈性不穩(wěn)定性和聲共振等[1]，使殼程流體產(chǎn)生預(yù)期的流速和流型，增加換熱管的抗振性，防止在交變應(yīng)力下，管束發(fā)生振動(dòng)而失效。

金立鵬[2]采用數(shù)值模擬研究單弓形折流板的結(jié)構(gòu)對管殼式換熱器殼程流體的流場、溫度場及換熱器綜合換熱性能影響后發(fā)現(xiàn)，隨著折流板數(shù)目增加，殼程流體出口溫度降低，進(jìn)出口壓差增加，殼程換熱系數(shù)增大，折流板切口方向角增加，殼程出口溫度增加，進(jìn)出口壓差及殼程換熱系數(shù)降低，且折流板轉(zhuǎn)角為45°，殼程進(jìn)口流速為 1.5 m/s 時(shí)，綜合換熱性能最好。

Li 等[3-4]通過實(shí)驗(yàn)研究了不同折流板間距對殼程壓降及傳熱系數(shù)的影響，并繪制了每排換熱管努塞爾數(shù)分布圖及兩折流板間的壓降變化。馬福華[5]對折流板間距及圓缺率對殼程壓降、傳熱系數(shù)的影響進(jìn)行了介紹，并推導(dǎo)了折流板間距及圓缺率的優(yōu)化方程，得出圓缺率在0.2～0.35 時(shí)，折流板間距與殼徑比率取0.3～0.6 較適宜。

郭夢軍等[6]通過模擬發(fā)現(xiàn)，雙弓形板和圓形-圓盤折流板有利于殼程流體的流動(dòng)及壓降區(qū)別不大，且比單弓形折流板之間流體滯留區(qū)及壓降小。螺旋式是一種新型的折流板形式，可使殼程流體做螺旋運(yùn)動(dòng)來減少流動(dòng)死區(qū)及回流，具有提高殼程傳熱系數(shù)、減少旁路漏流及抑制流體誘導(dǎo)振動(dòng)等優(yōu)點(diǎn)。Movassang等[7]通過實(shí)驗(yàn)研究了弓形折流板與螺旋式折流板換熱器的換熱性能，發(fā)現(xiàn)在單位壓降下，螺旋板式換熱器的換熱系數(shù)更高，綜合性能更好。

梁帥等[8]通過數(shù)值模擬不同特征螺旋角折流板對管殼式換熱器流動(dòng)與傳熱性能的影響，并提出連續(xù)型螺旋折流板換熱器特征螺旋角的定義方法，發(fā)現(xiàn)連續(xù)型螺旋折流板螺旋折流段內(nèi)流體呈周期性螺旋流動(dòng)，在中心軸向位置不存在柱塞流，特征螺旋角越大，換熱器換熱性能越好，當(dāng)特征螺旋角為14°時(shí)，換熱器綜合性能最好，比其他特征螺旋角換熱性能高59%～1 192%，特征螺旋角對殼程壓降的影響比傳熱系數(shù)更為顯著。

管束支撐結(jié)構(gòu)是管殼式換熱器殼程的重要部件，其結(jié)構(gòu)形式對殼程流體的壓降、阻力及傳熱系數(shù)的影響至關(guān)重要，且制約換熱管束的壽命，避免換熱器因流體誘發(fā)振動(dòng)而引發(fā)失效，使流體流動(dòng)分布更加合理。管束支撐 結(jié)構(gòu)形式較多，受影響的因素也較多，尋找一種既能減少流體的壓降又能增強(qiáng)換熱效果的管束支撐結(jié)構(gòu)是未來研究的方向。

1.2 換熱管外表面結(jié)構(gòu)

換熱管外表面結(jié)構(gòu)優(yōu)化主要是擴(kuò)展流體換熱面積，增加殼程流體的擾動(dòng)程度，在單位時(shí)間內(nèi)，使殼程流體參與更多的熱量交換。在管外壁加工軋制成各種形狀的低翅片，與傳統(tǒng)的光滑管相比，流體在殼程的流動(dòng)阻力增大，但由于流動(dòng)換熱是多種影響因素共同作用的結(jié)果，結(jié)合場協(xié)同原理，發(fā)現(xiàn)沿程阻力對換熱的抑制作用較小，反而增加了流體在管道表面的停留時(shí)間，當(dāng)溫度梯度較大時(shí)，換熱器綜合換熱性能提升較明顯。

鄔志偉等[9]對平直翅片管換熱器進(jìn)行數(shù)值研究，采用k-ε 兩方程模型與壁面函數(shù)法相結(jié)合的方法研究翅片間距對換熱性能的影響，翅片間距設(shè)置為4、6、8、10 及12 mm。翅片間距增大，管外翅片總數(shù)減少，空氣側(cè)流通摩擦面積降低，流體擾動(dòng)減弱，換熱性能降低，當(dāng)翅片間距較小時(shí)，摩擦因子較大，隨著間距增大，摩擦因子降低。

Liu 等[10]采用數(shù)值模擬研究了不同開孔間距對開孔翅片管換熱器的空氣側(cè)傳熱性能的影響，發(fā)現(xiàn)翅片間距為10 mm 時(shí)，雷諾數(shù)越大，j因子提高越多，當(dāng)雷諾數(shù)為2 350 時(shí)j因子增加8.1%。Yang 等[11]對波狀翅片在換熱管外表面的熱力性能進(jìn)行研究，對比翅片在換熱管的正交分布與斜角分布等結(jié)構(gòu)參數(shù)對流體的壓降和傳熱系數(shù)的影響，發(fā)現(xiàn)斜角翅片換熱管的傳熱系數(shù)較正交翅片換熱管高20.1%，壓降較正交翅片換熱管高71.4%。

換熱管外表面翅片數(shù)量、間距、傾角及厚度等都會對流體的流動(dòng)阻力及換熱性能產(chǎn)生影響，現(xiàn)階段的研究方法較為單一，并沒有相關(guān)計(jì)算公式擬合綜合評價(jià)中各種因素影響，且忽略了流體的表面張力在翅片上形態(tài)變化及影響。

1.3 管束排列方式

管殼式換熱器的殼程空間有限，在單位空間內(nèi)，管束排列方式不同，會對管束的數(shù)量及殼程換熱結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響，也會對殼程流體的流動(dòng)傳熱特性及流體結(jié)垢產(chǎn)生影響。考慮到換熱器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、流體介質(zhì)本身的屬性及制造工藝的復(fù)雜程度等因素，換熱器在管板的排列方式可分為正三角形排列、轉(zhuǎn)角正三角形排列、正方形排列及轉(zhuǎn)角正方形排列，如圖1 所示。

圖1 換熱管束的四種排列方式

鞠紅香[12]對管殼式換熱器殼程的換熱管束排列方式進(jìn)行了模擬研究后發(fā)現(xiàn)，采用正三角排列的管束結(jié)構(gòu)非常緊湊，熱管束與冷流體充分接觸，傳熱面積較大，而轉(zhuǎn)角三角形排列管束因存在順排換熱管束，流體在后排換熱速率較小，換熱不充分；正方形排列管束的流體阻力很小，流體擾動(dòng)不明顯，換熱效果差；轉(zhuǎn)角正方形排列換熱管間呈45°，換熱空間大，流體流速較小，湍流作用不明顯。

孫立勇[13]采用數(shù)值模擬了管束排列方式對管殼式換熱器殼程流動(dòng)與傳熱的影響，分別得出4 種排列方式下?lián)Q熱器模型的速度矢量場、壓力場及溫度場分布云圖。管束數(shù)量相同時(shí)，換熱效果排序?yàn)椋赫切危巨D(zhuǎn)角正三角形＞轉(zhuǎn)角正方形＞正方形。正三角形排列的管束結(jié)構(gòu)最緊湊，換熱效果最好，但其殼程流體壓降最大，能耗較高，拆裝困難；轉(zhuǎn)角正三角形的管束換熱效果不及正三角形，流體在管束的流程變小，但換熱效率比轉(zhuǎn)角正方形大，主要是轉(zhuǎn)角正方形結(jié)構(gòu)存在轉(zhuǎn)角，所受阻力大，流程大且復(fù)雜；正方形排列的管束的換熱效果最差，但其管間空間較大、排列整齊、拆卸方便且不易結(jié)垢。殷天明等[14]采用雙向耦合方法分析了不同排列方式及換熱管數(shù)量的管束振動(dòng)特性，發(fā)現(xiàn)正三角形排列比正方形排列結(jié)構(gòu)的管束更加穩(wěn)定，更難發(fā)生流體不穩(wěn)定的情況。

管束排列方式不同會對流體在殼程的流動(dòng)與傳熱產(chǎn)生不同的影響，目前常用的排列方式是正三角形，其傳熱效率高，結(jié)構(gòu)緊湊，但同時(shí)沿程阻力較大，能耗損失較大，還需要進(jìn)一步研究管束排列方式，降低能耗同時(shí)提升換熱效率。

2 流體特性對管殼式換熱器殼程流動(dòng)傳熱特性研究

流體以不同的速度、壓力及溫度等狀態(tài)在管殼式換熱器殼程流動(dòng)時(shí)，其流動(dòng)傳熱特性也會有差異，尤其是流體進(jìn)口流速對換熱特性產(chǎn)生較大的影響，流體的熱物性改善也被相關(guān)學(xué)者進(jìn)行了研究。本文著重對流體不同的進(jìn)口速度對管殼式換熱器流動(dòng)傳熱特性影響的研究現(xiàn)狀進(jìn)行綜述。

2.1 流體進(jìn)口速度

流體以不同的進(jìn)口速度進(jìn)入殼程流動(dòng)，其在殼程的流動(dòng)及傳熱程度不同，流體的速度影響流量，且使流體在管束及支撐結(jié)構(gòu)間擾動(dòng)更劇烈，換熱更加充分，流體的停留時(shí)間也縮短了。

孫立勇等[13-14]采用數(shù)值模擬研究了流體不同進(jìn)口速度對換熱的影響，將換熱器進(jìn)口流速分別設(shè)置為0.4、0.45、0.5、0.55、0.6 及0.65 m/s，得到不同進(jìn)口流速下的溫度場分布圖。隨著流體進(jìn)口速度增加，其單位時(shí)間內(nèi)通過流量越大，流體速度梯度也越來越大，湍流程度增強(qiáng)，殼程流體與換熱管束接觸地更加充分，流體混合程度也增強(qiáng)，換熱系數(shù)也提高了。

邵宇軒等[15]對不同進(jìn)口流體速度進(jìn)行數(shù)值模擬研究，在相同折流板間距下，設(shè)置進(jìn)口流體速度分別為0.5、0.6 m/s。當(dāng)管殼式換熱器殼程進(jìn)口流體速度增大時(shí)，折流板后方的高溫區(qū)域變小，殼程的傳熱“死區(qū)”范圍減小，單位時(shí)間內(nèi)流入換熱器的流量增加，流體擾流更加激烈紊亂，增強(qiáng)了流體的流動(dòng)與傳熱。

金立鵬[2]采用數(shù)值模擬折流板轉(zhuǎn)角及殼程進(jìn)口流速對殼程出口溫度和壓降的影響。當(dāng)折流板轉(zhuǎn)角度數(shù)相同時(shí)，隨著流動(dòng)速度增大，殼程流體湍流程度增加，但冷熱流體接觸的時(shí)間減少，換熱量隨之減少，殼程的出口溫度會隨之增加，同時(shí)流體的壓降大幅度增加。

江竹等[16]研究了在流體不同入口流速條件下，管殼式開孔折流板與未開口折流板殼程流場的數(shù)值模擬情況，設(shè)置流體速度分別為0.4、0.8、1.2 m/s。隨著流體入口速度增大，折流板背部滯留區(qū)域也不斷增大，開孔折流板比未開孔折流板更有效地減少了滯留區(qū)面積，有利于流場的溫度場及壓力場均勻分布，對提高換熱器的傳熱效率具有促進(jìn)作用。郭夢軍等[9]采用數(shù)值模擬了單弓形、雙弓形和圓環(huán)-圓盤三種形式的折流板在不同殼程進(jìn)口流速下的流動(dòng)傳熱特性。換熱器的壓降與換熱系數(shù)隨著流體殼程進(jìn)口流速增大而增大。

通過相關(guān)學(xué)者的研究發(fā)現(xiàn)，流體以不同流速進(jìn)入殼程，隨著速度的增大，流體在殼程內(nèi)的擾動(dòng)程度更加劇烈，與換熱管束接觸更加充分，減少了殼程傳熱“死區(qū)”的范圍，增加了出口溫度及壓降，但顯著提高了傳熱系數(shù)。目前研究比較單一，不同的管束支撐結(jié)構(gòu)形式及管束排列方式也會對流體的流速產(chǎn)生影響，從而影響流體的流動(dòng)與換熱，未來需綜合研究流體入口速度對殼程流動(dòng)傳熱的影響。

3 結(jié)語

通過綜述了殼程結(jié)構(gòu)及流體特性兩方面對管殼式換熱器殼程流體流動(dòng)傳熱特性的影響及研究現(xiàn)狀后發(fā)現(xiàn)，目前管殼式換熱器殼程流體流動(dòng)傳熱特性研究方法主要以數(shù)值模擬為主，殼程結(jié)構(gòu)中管束支撐結(jié)構(gòu)以折流板研究居多，不同的殼程結(jié)構(gòu)對流體的流動(dòng)傳熱影響不同，其換熱機(jī)理也有差異。

（1）換熱管外表面翅片數(shù)量、間距、傾角及厚度等都會對流體的流動(dòng)阻力及換熱性能產(chǎn)生影響。目前研究比較單一且未來需要綜合各方面的影響因素進(jìn)行研究，尤其不能忽略流體的表面張力及接觸角。

（2）換熱管束支撐結(jié)構(gòu)形式對殼程流體的壓降、阻力及傳熱系數(shù)的影響至關(guān)重要，合理的管束排列方式及支撐結(jié)構(gòu)可以減少流體壓降，使結(jié)構(gòu)更加緊湊。未來需進(jìn)一步優(yōu)化管束支撐結(jié)構(gòu)及管束排列方式，使之降低能耗同時(shí)提升換熱系數(shù)。

（3）隨著殼程流體進(jìn)口速度增加，流體在殼程流動(dòng)更加劇烈，換熱更加充分，顯著提升了換熱系數(shù)，但忽略了其他結(jié)構(gòu)因素的影響。未來需結(jié)合殼程結(jié)構(gòu)尋找最佳流體進(jìn)口速度。