换热器各种管束支撑的结构与传热性能

换热器各种管束支撑的结构与传热性能

换热器各种管束支撑的结构与传热性能

李安军 邢桂菊 周丽雯

(辽宁科技大学材料科学与工程学院 鞍山市 114051)

摘要：管束支撑是管壳式换热器的重要元件, 改变管束支撑的的形状和结构是强化传热的重要手段, 文中详细描述和分析了弓形折流板、整圆形折流板、折流杆、螺旋隔板、空心圆环、管子自支撑结构、抗振折流杆和旋流片的结构特点和传热特性, 并对各种管束支撑的传热性能比较。每一种管束支撑都有自己的特点和工作环境, 其优缺点是相对的, 但总的发展趋势是管束支撑物的结构加工工艺趋于简单化, 传热强化和抗振功能明显提高。

关键词：管束支撑; 传热性能; 换热器中图分类号:TQ051

文献标识码：A 文章编号:1009 3281(2008)02 0028 04

20世纪80年代以来, 强化传热技术被誉为第二代传热技术[1],并得到了充分的发展。它是能够显著改善传热性能的节能技术, 其主要内容是强化传热元件和改变换热器壳程的支撑结构, 用以提高换热效率, 达到生产的最优化。管束支撑是管壳式换热器的重要原件, 主要起到支撑管束、减小管束振动和引导壳程流体的流向的作用, 一种好的管束支撑, 能够强化壳程热交换, 节约投资和运营成本, 因此, 开发优良的管束支撑结构是非常必要的。工程上已应用的管束支撑主要有:弓形折流板、整圆形折流板、折流杆、螺旋隔板、空心圆环、抗振折流杆、旋流片和

管子自支撑结构等, 这些管束支撑各有优缺点。

1 各种管束支撑

1.1 弓形折流板弓形折流板包括单弓形折流板和双弓形折流板。单弓形折流板是化工企业用得最多的一种, 其结构见图1a, 但是这种折流板具有流阻大, 易结垢, 易引发流体诱导振动等缺点[2]。双弓形折流板由双弓形隔板和中心隔板组成, 结构见图1b 。两种隔板沿管束方向交替排列, 引导流体波浪式前进。双弓形隔板换热器与间距和缺口相同的单弓型隔板换热器相比, 虽然其压降为后者的0.3～0.5, 传热系数为后者的0.6～0.8, 但总体的传热性能是提高的[3]。弓形折流板换热器可以用于单相、沸腾和冷凝的各种工况中, 适用的介质也比较多, 如水、汽、

原油、轻质油等。

1.2 整圆形折流板

已开发出的整圆形折流板有五种结构, 如图2。

大管孔整圆形折流板出现得较早, 板上有比管径大的圆孔, 圆心与管轴共线, 既让管子穿过, 又可以让管间流体通过, 这种纵流式结构可以减小传热管的振动, 但缺乏对管子的支撑作用。后来开发出带小圆孔的整圆形折流板, 折流板上除钻有等于管外径的管孔外, 管孔之间再钻小圆孔, 让管间流体由小圆孔流过折流板, 可以克服大管孔整圆折流板的缺点。为进一步提高性能, 又开发出了矩形孔、梅花孔整圆形折流板, 既能支撑管子, 又能让管间流体流过折流板。还有一种网状整圆形折流板, 其结构仍按普通折流板划线、钻孔, 然后将折流板上的横排孔以4

个为一组, 将管桥处铣通而成[4]。

整圆形孔板能有效地堵塞壳程中管束与壳体之间的缝隙, 从而阻止流体在该缝隙中的无效流动; 流体从孔板开孔处穿过, 孔板的“节流作用”使流体产生波动和二次流而加剧湍流, 有效地提高传热效率[5]。整圆形折流板

结构的换热器壳程介质主要为水和轻质油, 可适用于各种工况。

1.3 折流杆结构

折流杆纵流式换热器是1970年美国菲利浦石油公司首先提出的, 是为了解决传统折流板换热器中管子与折流板的切割破坏和流体诱导振动, 这种结构是将管壳式换热器中的折流板改成杆式支承, 如图3。折流杆式换热器压降很低, 低于弓形隔板的1/4;传热特性比也高, 传热强化达1.3～2.4倍[3]。在相同设计条件下, 双壳程折流杆换热器的壳程流速提高了1倍, 壳程的给热系数可提高52%～74%。另外, 折流杆与换热器的接触面积很小, 传热面积得到充分利用, 消除壳程滞留区, 改变了壳程流场的温度分布。由于折流杆可以有效地避免流体诱导振动, 因而流体可以在壳体内高速流动。折流杆结构壳程适用的介质有水、轻质油和水蒸气, 可以用于汽———液和液———

液等工况的强化换热。)

1.4 螺旋隔板支撑

LutchaJ和NemcanskyJ[6]于1983年提出壳程流体作螺旋运动可以有效地清除污垢死角、增强壳程湍流度、强化换热器壳程传热, 其壳侧支撑结构是用一系列的扇形面相间连接, 从而在壳侧形成近似的螺旋面, 亦称螺旋折流板换热器[3]。这种换热器折流板形成一种特殊的螺旋形结构, 与常规折流板的布置方式不同, 它使得壳程的流体做螺旋运动。通过已知实验研究可以看出, 这种换热器的优良性能, 对于以压缩空气为工质, 在相同的Re 下, 光滑管螺旋隔板换热器的管外膜传热系数是光滑管弓形隔板换热器的1.25～1.8倍[7];螺旋隔板换热器的传热系数最大可以为弓形隔板换热器的1.39倍, 压降随着螺旋角的不同大约可降低26%～60%。螺旋隔板支撑结构的换热器

具有良好的防垢特性, 适用于易结垢、高黏的介质(如原油、油渣) 的强化传热。

1.5 空心圆环

空心圆环支撑结构是采用小直径金属短管以一定间隔布置在换热管束之间, 起到支撑传热管和导流作用。这种结构的特点是:壳程间隙率大, 流阻小, 流速变化小, 流体在空心环处可以充分形成湍流, 增强传热; 节约钢材, 减轻设备重量, 钢材的消耗量大大减少, 所以, 与传统换热器相比, 空心圆环换热器在投资费用方面占有很大的竞争

力, 可节省25%[8]。空心圆环结构换热器壳程介质主要为低黏度液体, 如水、酸、轻质油等。

1.6 管子自支撑结构

管子自支撑结构是管束依靠自身的结构相互支撑, 而不是通过附加的折流板、折流杆等结构。节省了钢材, 节

约了成本, 减轻了设备的重量。这样的结构有变截面管、螺旋椭圆扁管、刺孔膜片和螺旋折流片[9,10]。

1.6.1 螺旋椭圆扁管

螺旋椭圆扁管是把圆形光管压成椭圆形, 然后扭曲而成, 结构如图4b, 流体在管内处于螺旋流动状态, 因而破坏了管壁附近的层流边界层, 提高了传热效率。这种管束结构的特点是:两个并行排列相邻的管子在椭圆长轴处相

互接触、互相支撑, 应用这种管的换热器取消了附加的管束支撑物, 节约了材料和成本。

研究表明, 螺旋椭圆扁管换热器具有较好的强化传热性能, 管径大小和螺旋导程对传热和阻力性能均有影响。从综合性能来看, 大管径优于小管径。对于相同规格的管子, 导程增大, 传热性能降低, 流动阻力减小[11]。这种结构的换热器与光管换热器相比, 热流密度高50%,容积小30%。螺旋椭圆扁管支撑结构的换热器也可以用于单相、

沸腾和冷凝的各种工况中。

1.6.2 螺旋折流片

螺旋片传热管是在光管上均匀布置螺旋片, 有左旋片管和右旋片管之分。换热器的换热管布置情况是螺旋片管与光管交错排列, 左右两根管是螺旋片管, 螺旋方向分别是左旋和右旋, 上下两根管是光管, 放置在螺旋片上, 不

需要附加管束支撑。

螺旋片能诱导生成涡旋流体, 形成二次流, 增强流体的湍流度, 强化流体微团混合, 使壁面附近的流速梯度增大, 从而减薄粘性边界层底层的厚度, 有效提高传热系数。同时螺旋片形成的通道还增加了流体的流动路径, 提高了流动速度。数值模拟结果表明, 螺旋片管的传热系数随着螺旋角的增大而平缓增加, 流动阻力损失加大, 传热性能明显优于光管, 传热系数可提高40%～100%[12]。螺旋折流片管子支撑结构的换热器壳程的工作介质可以是重油

等高粘度的流体。

1.7 抗振折流杆

下面介绍一种新型抗振折流杆结构, 如图5。这种结构保持了传统折流杆换热器纵流的特征, 并且对换热管也起到夹持式支撑作用, 能够显著消除流体诱导振动; 流体流过波浪型折流杆时使文丘里效应和涡流脱离明显增大, 提高了流体的湍动, 又使换热器在低雷诺数流动情况下有较好的传热系数。通过数值模拟对传热量和传热系数的比较, 夹持式折流杆换热器都优于传统的折流杆换热器, 而且还克服了传统折流杆换热器结构在高雷诺数下换热管间的菱形磨损及低雷诺数下湍流扰动不足、传热效率急剧下降等缺点[13]。抗振折流杆是折流杆结构的一种,

适用的工况和介质也基本相同。

1.8 旋流片

旋流片的结构类似扭带, 结构如图6[14]。扭带是一种管的内插件, 其主要作用是扰动管内流体, 增加湍流度, 强化传热,Saha 等[15]研究了在管内间隔扭片插入物的流动和换热情况, 发现旋流片能以较小的阻力损失为代价显著地提高换热性能。旋流片支撑结构作为新型的壳程构件, 可以减小壳程流体的阻力、改善换热性能, 同时也可

以起到支撑管束的作用。

当流经旋流片时, 流体在螺旋型流道内受迫做螺旋流动, 由原来的一股分裂成两个螺旋流。由于流道面积的减小及曲面的变化, 流体得到充分扰动, 有效地冲刷壁面, 减薄了边界层。当流体离开旋流片后, 流体进入自旋流状

态, 随着距离的延长, 两个螺旋流逐渐合并成一个大的纵向涡。

通过对空心圆环和旋流片支撑结构的比较研究表明[14],旋流片的换热效果优于空心环, 但是阻力损失却大于空心环, 并且, 旋流片的扭率是旋流片阻力损失的主要影响因素, 小扭率的旋流片产生的形体阻力较大, 流体不易形成湍流。有旋流片的换热器壳程工作介质可以是汽、液等工作介质, 可适用于冷却、冷凝、沸腾等各种工况。

2 各种支撑的性能比较

每一种管束支撑都有自己的长处和缺点, 不同的工况下, 与不同的传热元件组合, 传热效果是不同的。实验研究表明在相同跨距和流量下大管孔孔板 折流板的组合, 梅花形孔板的传热效果最好, 是单弓型孔板的2.8倍, 矩形孔板是单弓形孔板的2.5倍[16];横纹槽管束的最佳支撑物是空心圆环或弹性波形薄片支撑, 与弓形板支撑相比, 传热面积可以减少35%,传热效率可以提高38%,与折流杆支撑相比分别可以提高33%和35%[17]。综合传热效果纵流式支撑要好于横流式的, 但也不是绝对的, 需要不同的组合配比。总之, 在选取管束支撑时要考虑到换热器结构、

经济成本等综合因素。

3 结论与展望

(1)壳程管束支撑物的结构加工工艺发展趋于简单化, 管间空隙趋于扩大化, 壳程的综合传热性能明显提高;

具有很强的抗振功能, 能够有效避免流体诱导振动造成的破坏, 设备使用寿命更长。开发新型高效的支撑结构是非

常必要的。

(2)纵向流管束支撑结构具有优良的特性, 如果纵向流支撑结构与不同型式的强化管组合使用, 能够同时实现

壳侧与管侧的传热强化, 这种为实现不同强化传热技术的优化组合仍需要进一步研究

换热器各种管束支撑的结构与传热性能

换热器各种管束支撑的结构与传热性能

李安军 邢桂菊 周丽雯

(辽宁科技大学材料科学与工程学院 鞍山市 114051)

摘要：管束支撑是管壳式换热器的重要元件, 改变管束支撑的的形状和结构是强化传热的重要手段, 文中详细描述和分析了弓形折流板、整圆形折流板、折流杆、螺旋隔板、空心圆环、管子自支撑结构、抗振折流杆和旋流片的结构特点和传热特性, 并对各种管束支撑的传热性能比较。每一种管束支撑都有自己的特点和工作环境, 其优缺点是相对的, 但总的发展趋势是管束支撑物的结构加工工艺趋于简单化, 传热强化和抗振功能明显提高。

关键词：管束支撑; 传热性能; 换热器中图分类号:TQ051

文献标识码：A 文章编号:1009 3281(2008)02 0028 04

20世纪80年代以来, 强化传热技术被誉为第二代传热技术[1],并得到了充分的发展。它是能够显著改善传热性能的节能技术, 其主要内容是强化传热元件和改变换热器壳程的支撑结构, 用以提高换热效率, 达到生产的最优化。管束支撑是管壳式换热器的重要原件, 主要起到支撑管束、减小管束振动和引导壳程流体的流向的作用, 一种好的管束支撑, 能够强化壳程热交换, 节约投资和运营成本, 因此, 开发优良的管束支撑结构是非常必要的。工程上已应用的管束支撑主要有:弓形折流板、整圆形折流板、折流杆、螺旋隔板、空心圆环、抗振折流杆、旋流片和

管子自支撑结构等, 这些管束支撑各有优缺点。

1 各种管束支撑

1.1 弓形折流板弓形折流板包括单弓形折流板和双弓形折流板。单弓形折流板是化工企业用得最多的一种, 其结构见图1a, 但是这种折流板具有流阻大, 易结垢, 易引发流体诱导振动等缺点[2]。双弓形折流板由双弓形隔板和中心隔板组成, 结构见图1b 。两种隔板沿管束方向交替排列, 引导流体波浪式前进。双弓形隔板换热器与间距和缺口相同的单弓型隔板换热器相比, 虽然其压降为后者的0.3～0.5, 传热系数为后者的0.6～0.8, 但总体的传热性能是提高的[3]。弓形折流板换热器可以用于单相、沸腾和冷凝的各种工况中, 适用的介质也比较多, 如水、汽、

原油、轻质油等。

1.2 整圆形折流板

已开发出的整圆形折流板有五种结构, 如图2。

大管孔整圆形折流板出现得较早, 板上有比管径大的圆孔, 圆心与管轴共线, 既让管子穿过, 又可以让管间流体通过, 这种纵流式结构可以减小传热管的振动, 但缺乏对管子的支撑作用。后来开发出带小圆孔的整圆形折流板, 折流板上除钻有等于管外径的管孔外, 管孔之间再钻小圆孔, 让管间流体由小圆孔流过折流板, 可以克服大管孔整圆折流板的缺点。为进一步提高性能, 又开发出了矩形孔、梅花孔整圆形折流板, 既能支撑管子, 又能让管间流体流过折流板。还有一种网状整圆形折流板, 其结构仍按普通折流板划线、钻孔, 然后将折流板上的横排孔以4

个为一组, 将管桥处铣通而成[4]。

整圆形孔板能有效地堵塞壳程中管束与壳体之间的缝隙, 从而阻止流体在该缝隙中的无效流动; 流体从孔板开孔处穿过, 孔板的“节流作用”使流体产生波动和二次流而加剧湍流, 有效地提高传热效率[5]。整圆形折流板

结构的换热器壳程介质主要为水和轻质油, 可适用于各种工况。

1.3 折流杆结构

折流杆纵流式换热器是1970年美国菲利浦石油公司首先提出的, 是为了解决传统折流板换热器中管子与折流板的切割破坏和流体诱导振动, 这种结构是将管壳式换热器中的折流板改成杆式支承, 如图3。折流杆式换热器压降很低, 低于弓形隔板的1/4;传热特性比也高, 传热强化达1.3～2.4倍[3]。在相同设计条件下, 双壳程折流杆换热器的壳程流速提高了1倍, 壳程的给热系数可提高52%～74%。另外, 折流杆与换热器的接触面积很小, 传热面积得到充分利用, 消除壳程滞留区, 改变了壳程流场的温度分布。由于折流杆可以有效地避免流体诱导振动, 因而流体可以在壳体内高速流动。折流杆结构壳程适用的介质有水、轻质油和水蒸气, 可以用于汽———液和液———

液等工况的强化换热。)

1.4 螺旋隔板支撑

LutchaJ和NemcanskyJ[6]于1983年提出壳程流体作螺旋运动可以有效地清除污垢死角、增强壳程湍流度、强化换热器壳程传热, 其壳侧支撑结构是用一系列的扇形面相间连接, 从而在壳侧形成近似的螺旋面, 亦称螺旋折流板换热器[3]。这种换热器折流板形成一种特殊的螺旋形结构, 与常规折流板的布置方式不同, 它使得壳程的流体做螺旋运动。通过已知实验研究可以看出, 这种换热器的优良性能, 对于以压缩空气为工质, 在相同的Re 下, 光滑管螺旋隔板换热器的管外膜传热系数是光滑管弓形隔板换热器的1.25～1.8倍[7];螺旋隔板换热器的传热系数最大可以为弓形隔板换热器的1.39倍, 压降随着螺旋角的不同大约可降低26%～60%。螺旋隔板支撑结构的换热器

具有良好的防垢特性, 适用于易结垢、高黏的介质(如原油、油渣) 的强化传热。

1.5 空心圆环

空心圆环支撑结构是采用小直径金属短管以一定间隔布置在换热管束之间, 起到支撑传热管和导流作用。这种结构的特点是:壳程间隙率大, 流阻小, 流速变化小, 流体在空心环处可以充分形成湍流, 增强传热; 节约钢材, 减轻设备重量, 钢材的消耗量大大减少, 所以, 与传统换热器相比, 空心圆环换热器在投资费用方面占有很大的竞争

力, 可节省25%[8]。空心圆环结构换热器壳程介质主要为低黏度液体, 如水、酸、轻质油等。

1.6 管子自支撑结构

管子自支撑结构是管束依靠自身的结构相互支撑, 而不是通过附加的折流板、折流杆等结构。节省了钢材, 节

约了成本, 减轻了设备的重量。这样的结构有变截面管、螺旋椭圆扁管、刺孔膜片和螺旋折流片[9,10]。

1.6.1 螺旋椭圆扁管

螺旋椭圆扁管是把圆形光管压成椭圆形, 然后扭曲而成, 结构如图4b, 流体在管内处于螺旋流动状态, 因而破坏了管壁附近的层流边界层, 提高了传热效率。这种管束结构的特点是:两个并行排列相邻的管子在椭圆长轴处相

互接触、互相支撑, 应用这种管的换热器取消了附加的管束支撑物, 节约了材料和成本。

研究表明, 螺旋椭圆扁管换热器具有较好的强化传热性能, 管径大小和螺旋导程对传热和阻力性能均有影响。从综合性能来看, 大管径优于小管径。对于相同规格的管子, 导程增大, 传热性能降低, 流动阻力减小[11]。这种结构的换热器与光管换热器相比, 热流密度高50%,容积小30%。螺旋椭圆扁管支撑结构的换热器也可以用于单相、

沸腾和冷凝的各种工况中。

1.6.2 螺旋折流片

螺旋片传热管是在光管上均匀布置螺旋片, 有左旋片管和右旋片管之分。换热器的换热管布置情况是螺旋片管与光管交错排列, 左右两根管是螺旋片管, 螺旋方向分别是左旋和右旋, 上下两根管是光管, 放置在螺旋片上, 不

需要附加管束支撑。

螺旋片能诱导生成涡旋流体, 形成二次流, 增强流体的湍流度, 强化流体微团混合, 使壁面附近的流速梯度增大, 从而减薄粘性边界层底层的厚度, 有效提高传热系数。同时螺旋片形成的通道还增加了流体的流动路径, 提高了流动速度。数值模拟结果表明, 螺旋片管的传热系数随着螺旋角的增大而平缓增加, 流动阻力损失加大, 传热性能明显优于光管, 传热系数可提高40%～100%[12]。螺旋折流片管子支撑结构的换热器壳程的工作介质可以是重油

等高粘度的流体。

1.7 抗振折流杆

下面介绍一种新型抗振折流杆结构, 如图5。这种结构保持了传统折流杆换热器纵流的特征, 并且对换热管也起到夹持式支撑作用, 能够显著消除流体诱导振动; 流体流过波浪型折流杆时使文丘里效应和涡流脱离明显增大, 提高了流体的湍动, 又使换热器在低雷诺数流动情况下有较好的传热系数。通过数值模拟对传热量和传热系数的比较, 夹持式折流杆换热器都优于传统的折流杆换热器, 而且还克服了传统折流杆换热器结构在高雷诺数下换热管间的菱形磨损及低雷诺数下湍流扰动不足、传热效率急剧下降等缺点[13]。抗振折流杆是折流杆结构的一种,

适用的工况和介质也基本相同。

1.8 旋流片

旋流片的结构类似扭带, 结构如图6[14]。扭带是一种管的内插件, 其主要作用是扰动管内流体, 增加湍流度, 强化传热,Saha 等[15]研究了在管内间隔扭片插入物的流动和换热情况, 发现旋流片能以较小的阻力损失为代价显著地提高换热性能。旋流片支撑结构作为新型的壳程构件, 可以减小壳程流体的阻力、改善换热性能, 同时也可

以起到支撑管束的作用。

当流经旋流片时, 流体在螺旋型流道内受迫做螺旋流动, 由原来的一股分裂成两个螺旋流。由于流道面积的减小及曲面的变化, 流体得到充分扰动, 有效地冲刷壁面, 减薄了边界层。当流体离开旋流片后, 流体进入自旋流状

态, 随着距离的延长, 两个螺旋流逐渐合并成一个大的纵向涡。

通过对空心圆环和旋流片支撑结构的比较研究表明[14],旋流片的换热效果优于空心环, 但是阻力损失却大于空心环, 并且, 旋流片的扭率是旋流片阻力损失的主要影响因素, 小扭率的旋流片产生的形体阻力较大, 流体不易形成湍流。有旋流片的换热器壳程工作介质可以是汽、液等工作介质, 可适用于冷却、冷凝、沸腾等各种工况。

2 各种支撑的性能比较

每一种管束支撑都有自己的长处和缺点, 不同的工况下, 与不同的传热元件组合, 传热效果是不同的。实验研究表明在相同跨距和流量下大管孔孔板 折流板的组合, 梅花形孔板的传热效果最好, 是单弓型孔板的2.8倍, 矩形孔板是单弓形孔板的2.5倍[16];横纹槽管束的最佳支撑物是空心圆环或弹性波形薄片支撑, 与弓形板支撑相比, 传热面积可以减少35%,传热效率可以提高38%,与折流杆支撑相比分别可以提高33%和35%[17]。综合传热效果纵流式支撑要好于横流式的, 但也不是绝对的, 需要不同的组合配比。总之, 在选取管束支撑时要考虑到换热器结构、

经济成本等综合因素。

3 结论与展望

(1)壳程管束支撑物的结构加工工艺发展趋于简单化, 管间空隙趋于扩大化, 壳程的综合传热性能明显提高;

具有很强的抗振功能, 能够有效避免流体诱导振动造成的破坏, 设备使用寿命更长。开发新型高效的支撑结构是非

常必要的。

(2)纵向流管束支撑结构具有优良的特性, 如果纵向流支撑结构与不同型式的强化管组合使用, 能够同时实现

壳侧与管侧的传热强化, 这种为实现不同强化传热技术的优化组合仍需要进一步研究