管壳式换热器强化传热技术概述

管壳式换热器强化传热技术概述马越中国矿业大学化工学院,江苏徐州，221116摘要:总结了近年来国内外新型管壳式换热器的研究进展，从管程、壳程、管束三方面介绍了管壳式换热器的发展历程、结构改进及强化传热机理,并与普通弓形折流板换热器进行对比，概括了各式换热器的强化传热特点。

最后指出了换热器的研究方向。

关键词:管壳式换热器；强化传热;研究方向Overview of the Shell and Tube Heat Exchangers about Heat TransferEnhancement TechnologyMA YueCUMT,Xuzhou，jiangsu，221116Abstract:Abstract : The research progress of shell and tube heat exchanger were summarized. The development structural improvement and heat transfer enhancement of the heat exchangers were introduced through three aspects e. g. tube pass shell pass and the whole tub bundle etc. Compared with the traditional segmental bame heat exchanger various types of heat exchangers'characteristics about heat transfer enhancement were epitomized。

At last，the studying directions of heat exchangers were pointed out.Key words：shell and tube heat exchanger;heat transfer enhancement；studying direction1引言《“十二五”节能减排综合性工作方案》明确提出,到2015年,全国万元国内生产总值能耗下降到0。

一、换热设备的强化传热技术
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1 换热器的强化传热技术
近20年来，石油、化工等过程工业得到了迅猛发展。 各工业部门都在大力发展大容量、高性能设备，因此要求 提供尺寸小、重量轻、换热能力大的换热设备。 特别是始于20世纪60年代的世界能源危机，加速了当 代先进换热技术和节能技术的发展。强化传热已发展成为 第二代传热技术，并已成为现代热科学中一个十分引人注 目的、蓬勃发展的研究领域。 主要介绍工业化应用的、相对比较成熟的管壳式换热 器无功强化传热技术。
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表面多孔管结构图
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表面多孔管
强化传热机制
性能曲线对比
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3.1 强化传热管元件
9） T形翅片管 T型翅片管是由光管经过滚轧加工成型的一种高效换热 管。其结构特点是在管外表面形成一系列螺旋环状T型隧道 。管外介质受热时在隧道中形成一系列的气泡核，由于在 隧道腔内处于四周受热状态，气泡核迅速膨大充满内腔， 持续受热使气泡内压力快速增大，促使气泡从管表面细缝 中急速喷出。气泡喷出时带有较大的冲刷力量，并产生一 定的局部负压，使周围较低温度液体涌入T型隧道，形成持 续不断的沸腾。
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3 管壳式换热器的强化传热技术
管壳式换热器的传热强化研究包括管程和壳程两侧的传 热强化研究。通过强化传热管元件与优化壳程结构实现。 3.1 强化传热管元件 改变传热面的形状和在传热面上或传热流路径内设置各 种形状的插入物。改变传热面的形状有多种，其中用于强化 管程传热的有：螺旋槽纹管、横纹管、螺纹管、缩放管、旋 流管和螺旋扁管等。 另外，也可采用扰流元件，在管内装入麻花铁，螺旋圈 或金属丝片等填加物，亦可增强湍动，且有破坏层流底层的 作用。
菱形翅片管结构图
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3.1 强化传热管元件

翅片管换热器传热特性的数值模拟研究文献综述姓名：姜晴班级：热动1班学号：20120390115 引言能源是人类社会生存和发展的重要保障。

近年来;我国工业化和城镇化步伐加快,能源需求量进一步增加。

据有关专家预测,若以2000年我国能源消费数据为基点,到2010和2020年,我国能源消费总量增长幅度将分别达到38%和89%,2010年能源消费总量将增长到22.4亿吨标准煤,而2020年则为25.5亿吨一30亿吨标准煤[1]。

由此可见,在未来几十年里,随着我国经济的飞速发展和人口的不断增长,能源供给相对不足的矛盾将日益突出,能源供给问题将成为制约我国经济社会发展的重要因素。

为确保我国经济平稳、协调和可持续发展,寻找新能源或可再生资源,以及合理地利用现有资源将是关键所在。

对于合理利用现有资源,我国政府提出在“十一五”期间,各级政府和企业要把“节能减排”工作放在重要地位。

我国目前的能源利用效率仅为36%左右,远低于发达国家50%的能源利用率水平[2]。

而我国能源利用率低下的一个重要因素,是大量工业余热没有得到充分利用。

有统计数据表明,我国钢铁、有色、化工、建材、石化、轻纺、机械等几大能耗大户,余热利用率仅为4%一5%,工业炉窑热效率低于70%[3]。

不同温度水平的余热其利用价值也不同,一般可将余热资源分为高温余热、中温余热和低温余热。

由于不同物质形态的余热,可利用程度不同,所以温度划分也有差别。

对于固态余热,500℃以下的为中、低温;气态余热200℃以下的算中、低温;对于液体余热80℃以下可视为中、低温[4]。

从现代热物理学的观点来看,同样多的热量,在不同的温度下可供利用的价值不同。

余热源的温度越低,能量的品位就愈低。

而据统计,在工业生产中,人们所利用的热能中平均有50%最终以低品位余热的形式直接排放[5]。

这部分未经利用的余热直接排放到环境中,不但造成了巨大的能源浪费,也给环境带来了严重的热污染。

据初步测算,能源利用效率每提高1个百分点,即可节省能源费用130多亿元[6]。

生元的结构 形状 大小 方位 数量以及不同发生元间的距
离相对传热壁面的位置等因素有关。
2 、 EHD强化传热
电水动力学(EHD)强化传热是在流体中施以外加电 场，利用电场与流场和温度场的相互作用而达到强化传 热目的的一种主动强化传热方法。EHD强化传热具有设 备简单、应用面广、功耗低和强化传热效果显著等一系
从强化的传热过程来分，分为导热过程的强化、单
相对流传热过程的强化、沸腾传热过程的强化、凝结传 热过程的强化和辐射传热过程的强化。从提高传热系数 的各种强化传热技术来分，可分为有功技术和无功技术， 也将其称为有源强化技术和无源强化技术，主动式强化
技术和被动式强化技术。

强化对流传热，它主要在扩大加热管的有效面积但
1) 在换热功率、工质流量与压力损失相同时，比较二者
的换热面积和体积；
2) 在换热器体积、工质流量与压力损失相同时，比较二
者的换热功率； 3) 在换热面积、换热功率与工质流量相同时，比较二者 的压力损失。但上述评价方法只考虑了单侧的换热效 果，虽有一定参考价值，但不可避免地带有片面性。

综合换热评价是在考虑了换热管内外侧换热(即总 传热系数)的情况下，综合考虑其换热功率、工质流量、 压力损失及换热器体积4方面因素，因而比上述方法更 能反映出强化传热的实际综合效果。而进行技术推广应
又不过分增大流阻的条件下，将加热管子内外表面扎制 成各种不同的表面形状,促进流体产生湍流,提高传热性 能。

强化沸腾传热是通过改良传热表面的性能，来强化 沸腾传热，这种表面改良既要符合传热机理的要求，也 要充分发挥其特点，如表面多孔管、管内表面涂层等都
可以使汽化核心的数量大大增加，从而使沸腾传热系数
复合强化技术

强化传热技术一、概述近年来，随着中国经济的快速发展，石油、化工等行业得到了长足的发展，各工业部门都在大力发展大容量、高性能设备，并且随着能源危机的进一步加大，对换热器的性能要求进一步提高，换热器向着尺寸小、重量轻、换热能力大、换热效率高的方向发展，因此强化传热技术成为一个蓬勃发展的研究领域。

强化传热技术分为无源强化技术（或被动式强化技术、无功强化技术）和有源强化技术（或主动式强化技术、有功强化技术）。

前者是指除了介质输送功率外不需要消耗额外动力的技术；后者是指需要加入额外动力以达到强化传热目的的技术。

本文主要介绍了管壳式换热器的无源强化传热技术。

只要存在着温度差，热量就会自发地有高温转向低温，因此热传递是自然界中的基本物理过程之一。

因很多冶金的化学反应都需要控制在一定温度下进行，为了维持所要求的温度，物料在进入反应器之前往往需要预热或冷却；在冶金进程中，由于反应本身需吸收或放出热量，又要及时补充或移走热量。

如闪速炼钢过程，为了强化熔炼反应，需将富氧气预热至500℃以上；又如硫化锌精矿的流态化焙烧过程，由于反应放出大量的热，炉子外面需设置冷却水套，及时移走多余的热量。

此外，还有一些过程虽然没有化学反应发生，但仍需维持在一定的温度下进行，如干燥和结晶，蒸发与热流体的输送等，都直接或间接与传热油关。

热传递过程可以分为导热、对流换热和辐射换热等三种基本方式，它们各自有不同的传热规律，实际中遇到的传热问题都常常是几种传热方式同时起作用。

二从传热学得出换热器的传热量可用下式进行计算，即TQ∆=，式中：kkF为传热系数，W/（m2*K）；F为传热面积，m2；为冷热液体的平均温差T∆，K。

从式中可以看出，欲增加传热量Q，可以增加k、F或T∆来实现。

下面对此加以讨论。

1：增加冷热液体的平均温差T∆在换热器中冷热液体的流动方式有四种，即顺流、逆流、交叉流和混合流。

在冷热流体进出温度相同时，逆流的平均温差T∆最小，因此∆最大，顺流时T为增加传热量应尽可能采用逆流或接近于逆流的布置。

备 的生产 。随着这 些 行 业 的快 速 发 展 ， 热锅 炉 曲 废
提 高液 体 的导热 系数 的一种 有 效方式 是 在液体
中添加金属 、 非金属或 聚合物 固体粒 子。由于固体
１ ・ 究 与 应 用 ・ ８ 研
纺织机械
２１ ０ ２年 第 １ 期
得 导流筒成 斜 口形 状 ， 证 流体 沿 周 向均匀 进 入 壳 保
体 ， 图 ２所示 。这种 结 构 基本 可 以克 服 等直 导 流 如 简 装置存 在 的介 质进 入 壳 程 时 流 体 阻 力 不 同 的缺
图 １ 多孔 介质 材 料 及 空 隙 表 面
减少传热死区及防止进 口段可能 出现的流体振动。
夹套 式 变 截 面 导 流 筒 折 流 杆 换 热 器 由杆 圈 （ 栅 、 杆
１ ３ 流 动 介质 强化换 热 ］ ．
圈） 支撑 、 变截面导流筒 与夹套三个元件组合而成。
在很 大程 度上 ， 套 式 变 截 面 导 流简 装 置 是对 传 统 夹 的导 流筒 结构 的简 化 。该 装 置 采 用 变截 面结 构 ， 使
时可提高 流速 ， 利 于 在较 低 处 理 量 ： 下 纵 流 壳 有 Ｉ 况
程换 热器 传热性 能 的提 高 。 ３ ２ ４ 流量变 化 时 ， 同直径 的管 内传 热 系数 的变 ．． 不 化是不 同 的 ， 其 是 在 流 量 突 降 ， 内 的 流璇 足 尤 管
点 ， 流体能 够 比较 均 匀 的进 入 壳 程 。工业 实 际应 使 用证 明 ： 与传 统折 流板换 热器 相 比 ， 该新 型纵流 壳程 换 热器 的综合 指 标 ａＡ ／ ｐ提 高 了 ５ ％左 右 ， 备 重 ０ 设 量减 轻 了 ２ ％－４ ％。同时传 热 效 率 大 幅度提 升 。 ０ － ０ 目前 ， 该新 型纵 流壳 程 换 热器 已广 泛 应用 于 各 种 生 产实 践 中 ， 时取得 了显著 的经济 效益 和社会 效益 。 同

管壳式换热器强化传热技术概述管壳式换热器是一种广泛应用于化工、石油、能源等领域的传热设备。

在传统的管壳式换热器中，传热效率往往受到传热面积、换热系数、导热系数等因素的限制。

为了提高传热效率，强化传热技术应运而生。

本文将介绍管壳式换热器强化传热技术的基本原理和应用。

管壳式换热器是一种广泛应用于化工、石油、能源等领域的传热设备。

它主要由壳体、传热管束、管板、折流板等组成。

在管壳式换热器中，两种不同的介质通过传热管束进行热量交换。

管束中的传热介质通过热对流和热传导两种方式将热量传递给管壁，管壁再将热量传递给另一种介质，从而实现两种介质之间的热量交换。

强化传热技术的原理主要包括：增加传热面积、提高换热系数、降低导热系数和增大比热容等。

这些因素共同影响着传热效率。

增加传热面积可以通过采用具有高导热系数的材料、增加传热管的数量或改变传热管的形状等方式实现。

提高换热系数可以通过改变流体的流动状态、减小流体的层流底层厚度、增加流体的湍流度等方式实现。

降低导热系数可以通过在管壁涂覆低导热系数的涂层、采用高导热系数的材料等方式实现。

增大比热容可以通过改变流体的流动速度、增加流体的浓度差等方式实现。

强化传热技术在管壳式换热器中的应用广泛，以下举几个例子：（1）蒸发：在蒸发过程中，强化传热技术可以有效地提高加热器的传热效率，减小能耗，降低生产成本。

例如，采用高频扰动技术可以增加液体的湍流度，减小传热膜系数，从而减少蒸发时间，提高蒸发效率。

（2）冷凝：在冷凝过程中，强化传热技术可以促进水蒸气与冷却水之间的热量交换，提高冷凝效率。

例如，采用细小肋片管可以增加传热面积，同时采用螺旋肋片管可以增加流体的扰动程度，减小传热膜系数，从而提高冷凝效率。

（3）受热面积增大：通过改变管束的排列方式或增加管束数量，可以增大管壳式换热器的受热面积。

采用多程管束可以增加壳程受热面积，同时采用小直径管束可以增加程数，从而进一步提高受热面积。

强化传热技术在管壳式换热器中具有广泛的应用前景，它可以有效地提高换热效率、减小能耗、降低生产成本，同时也可以延长设备的使用寿命。

当用于蒸发时，可以增加单位表面上气泡形成的数量，提高沸腾
传热能力；
当用于冷凝时，螺纹翅片十分有利于管下端冷凝液的滴落，使液
膜减薄，热阻减少，提高冷凝传热效率。
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3.1 强化传热管元件
5）螺旋扁管
螺旋扁管(Twisted tube)换热器是由 美国Brown公司推出的。螺旋扁管的结 构特点是管子的任一截面均为一长圆。 螺旋扁管的强化机理：由于管子的独特 结构，使管程与壳程同时处于螺旋流动 ，促进了湍流程度。此换热器比常规换 热器总传热系数高40％，而压力降则几 乎相等。此换热器可用于气—气、液— 液以及气—液换热过程。
螺旋扁管结构图
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3.1 强化传热管元件
6）菱形翅片管
菱形翅片管为带有周向非连续三维 翅片的高效传热管，其传热强化性能优 于带周向连续翅片的螺纹翅片管。当用 于冷凝强化传热时，由于其三维翅片的 特殊结构造成翅片表面液膜的表面张力 分布不均(根部大，顶部小)，液膜被拉 向根部，使三维翅片表面的液膜厚度大 幅度的减薄，热阻减小，使汽态介质和 管外壁的换热能力增强，从而提高换热 效果。
6
2 传热过程强化的途径
传热系数:滴状冷凝＞＞膜状冷凝
（2）冷凝强化传热 滴状冷凝:冷凝液不能润湿壁面，只能在壁面上形成液珠。 液珠长大后，受重力的作用不断地携带着沿途的其他液珠 沿壁面流下。与此同时，新的液珠又会在原来的途径上重 新复生。 实现滴状冷凝的途径有：在金属表面涂上憎水基有机化合 物涂层；金属硫化物涂层；贵金属涂层；高分子聚合物涂 层；往蒸汽中注入不润湿性介质等。
（1）对流强化传热
无相变过程强化对流传热技术的研究，可分为管内强 化和管外强化两种形式。强化措施大致有：
管外采用新型扩展表面； 管内采用插入物提高搅动程度； 管内外采用异形管，改变管内流体流动状态提高传热； 改变管束支撑件形式，提高流速和搅动程度； 加入不互溶低沸点添加剂，靠汽化潜热提高传热果。

强化传热技术简介强化传热技术是指能显著改善传热性能的节能新技术，其主要内容是采用强化传热元件，改进换热器结构，提高传热效率，从而使设备投资和运行费用最低，以达到生产的最优化。

发展早在18世纪初就提出让风吹过物体表面强化对流传热。

但该技术真正引起人们重视是在20世纪60年代后，由于生产和社会发展的需要，强化传热技术载30多年来得到了广泛的发展和应用。

迄今为止，强化传热技术在动力，核能，制冷，石油，化工乃至国防工业等领域中得到广泛应用，国内外公开发表的论文和研究报告超过6000篇，获得了数百项专利，已发展成为成熟的第二代传热技术。

能源存在形式：矿物核能，地热能，化石燃料的化学能，太阳辐射能，海洋温差能，潮汐能，生物能，江河水利能，风能等，能量实质上就是各种运动形式相互联结，作用，转化的唯一媒介和桥梁，而能量利用的本质则是人为的以自然发生的变化去促成人类所需要的变化。

能源不仅是人类社会生存与发展的最基本的物质基础，而且是发展社会生产力的基本条件。

由于多年来对能源进行了不适当的开发利用，自20世纪70年代初中东石油危机爆发以来，以能源为中心的环境，生态和社会经济问题日益加剧，世界各国从发认识到节能的重要意义，能源的合理利用已成为当今世界各国应如何良性发展工业的核心问题，各种节能技术如雨后春笋般竞相出现。

强化传热技术的分类强化传热技术分为被动式强化技术(亦称为无功技术或无源强化技术)和主动式强化技术(亦称为有功技术或有源强化技术)。

前者是指除了介质输送功率外不需要消耗额外动力的技术; 后者是指需要加入额外动力以达到强化传热目的的技术。

2.1被动式强化传热技2.1.1 处理表面包括对表面粗糙度的小尺度改变和对表面进行连续或不连续的涂层。

可通过烧结、机械加工和电化学腐蚀等方法将传热表面处理成多孔表面或锯齿形表面, 如开槽、模压、碾压、轧制、滚花、疏水涂层和多孔涂层等。

此种处理表面的粗糙度达不到影响单相流体传热的高度, 通常用于强化沸腾传热和冷凝传热。

不兼作法兰时管板与壳体的连接结构
2、 浮头式、U型管式和填函式换热器的管板与壳体的连接 由于浮头式、U型管式和填函式换热器的管束要从壳体中抽出，以便进行清洗，故需将管板做成 可拆连接。
管板与壳体可拆结 构
6.2.5 管箱与管程分程（Tube box and tube split）
1、管箱与分程隔板 换热器管内流体进出口的空间称为管箱。管箱位于换热器的两端，将介质均匀地分布到各换热管 中，或将管内流体汇集后输送出来。为了便于清洗、检修管子，管箱应采用可拆结构。
4、U型管式换热器（U-tube heat exchanger）
换热器的管束弯成U型，U型管两端固定在同一块管板上，在管箱中加有一块隔板。
U型管式换热器 优点：换热器只有一块管板，结构简单，造价便宜。管束可以抽出清洗，管子可以自由膨胀。 缺点：管内不便清洗，管板上布管少，结构不紧凑。管外介质易短路，影响传热效果。内层管子 损坏后不易更换。 U型管式换热器主要用于管内清洁而不结垢的高温、高压介质。壳层介质适应性强，常用于高压、 高温、粘度较大的场合。
2、 管间距（Tube spacing）
管板上两换热管中心的距离称为管间距。确定管间距既要考虑结构紧凑性、传热效率，又要考虑 管板强度和清洗空间以及管子在管板上固定的影响。对于正三角形排列，管间距应大于等于管子 直径的1.25倍，且不小于d0+6 mm。
最外层换热管的管壁与壳体内壁间的距离不得小于10 mm。
正三角形排列的管子
正方形排列的管子
组合排列法
当壳程为清洁、不结垢的流体时，宜选用正三角形排列。
壳程流体粘度较大或易结垢需定期清洗壳程时，一般采用正方形排列。
多程换热器，常采用正三角形和正方形组合排列方法，以便安排隔板位置。对于直径较大、管子 较多，按正三角形排列管子总数超过127根时必须在管束周围的弓形空间尽量再配置附加换热管。

管壳式换热器试漏方法及应用研究摘要：近年来，随着社会的高速发展，对于能源利用的话题逐渐成为人们关注的话题之一。

换热器作为重要的热量交换设备，在化工领域被广泛地应用。

作为换热器的最主要介质的循环水，会带来一定腐蚀问题。

换热器腐蚀达到一定程度便会产生泄漏，对安全生产带来影响。

基于此，本文主要对管壳式换热器试漏方法及应用进行研究，详情如下。

关键词：管壳式；换热器；试漏方法；应用引言管式换热器是工矿企业常见的冷却部件，管式换热器发生泄漏后一般需要利用水压试验或者气压试验进行管束漏点查找。

若漏点从外部无法发现，则需要逐根查找泄漏的单根换热管，并从该故障换热管两端打入楔子，以隔离漏点。

1管式换热器常规查漏方式存在的问题（1）整体水压查漏只能发现位于换热器表层朝外的管道泄漏，难以观察表层朝内及内层换热管道的漏点，对内部泄漏管道的具体泄漏位置无法准确定位。

（2）单根换热管水压查漏需要制作专用夹具，以确保查漏装置与承管板之间可靠密封，而对于体积较大的换热器（如凝汽器等），存在难以制作夹具的问题。

此外，该查漏装置需要水源及电源，装置相对比较笨重，需要多人（4～6人）配合方能进行查漏作业，查漏效率较低。

同时由于水分子相对较大，对于足以泄漏气体的针孔式漏点，水的泄漏往往并不明显，造成微小漏点难以被发现，从而影响查漏的准确性。

（3）气密查漏存在的问题与水压查漏类似，且由于气体压缩量非常大，出现泄漏时的降压不明显，同时受环境温度和日晒等因素影响，气压往往存在波动，导致查漏准确性低。

此外，气密漏点用肉眼难以判别，需要充气后涂刷皂液或整体浸水，因此对于大型换热器而言，气密查漏的难度更大。

2管壳式换热器试漏方法及应用2.1LNG换冷站换热器安全阀设置LNG(液化天然气，下同)换冷站是LNG接收站冷能利用的重要装置，低温LNG和乙二醇冷媒在LNG换冷站内进行冷量传递，将LNG冷能传递给下游冷能用户。

LNG换冷站内，冷量传递主要是在换热器内进行。

根据强化传热 理论… ， 在管 的两侧范 围内，
需要 增 大传 热系数 较小 的一 侧才 能有效 改进 总传 热 系数 。 由于无 法 确定 所 有 工 况 下 ， 要增 大管 需
主， 而且传统弓形折流板换热器 占到总量 的 ７ ％ ０
管壳式 换热 器强化传热技术概述
Ｖ １ ． ｏ ０ ２ ｏ ９ Ｎ ７２ １ ２
～
８ ％ 。弓形 折 流板 换 热 器 固然有 其 优 点 ， 在 ０ 并
０ 引言
产 业 节能 方面 做 出 了巨大 贡献 ， 在 新 的节 能减 但 排 形 势下 ， 缺 点 （ 降 大 、 在 大 量 流 动 死 区 、 其 压 存 振 动 大 、 热 效 率 低 等 ） 重 限制 了 自身 的生 存 传 严 和 发展 空 间 ， 同时 也 推进 了强 化 传 热 理 论 和换 热
ｓｒ ｃｕｒ ｌ ｍｐ ｏ ｅ ｎ ｎｄ ｈ ａ ｒ ｎ ｆｒ ｅ ｈａ ｃ ｍｅ ｆ ｔ ｅ ｈ ａ ｘ ｈ ｎｇ ｒ ｒ ｉ ｔｏ ｕｃ ｄ ｈ ｏ ｇ ｔｕ ｔ ａ ｉ ｒ ｖ ｍｅ ｔ ａ ｅ ｔ ｔａ ｓｅ ｎ ｎ ｅ ｎｔｏ ｈ ｅ ｔ ｅ ｃ ａ ｅ ｓ ｗｅ ｅ ｎｒ ｄ ｅ ｔ ｒ ｕ ｈ ｔ ｅ ｓ ｃ ｓ， ． ｔｂｅ ｐ ｓ ｓ ｅ ｌｐ ｓ ｎｄ ｔ ｈｒ ｅ ａ ｐｅ ｔ ｅ ｇ．ｕ ａ ｓ，ｈ ｌ ａ ｓ ａ ｈｅ ｗｈｏｅ ｔ ｂ ｂｕ ｄ ｅ ｅ ｅ Ｃｏ ａ ｅ ｔ ｈｅ ｔａ ｉ ｏ ａ ｅ － ｌ ｕ ｎ ｌ ｔ ． ｍｐ ｒ ｄ ｗｉｈ ｔ ｒ ｄｔ ｎ ｌｓ ｇ ｉ
Ａｂ ｔ ａ ｔ Ｔ ｅ ｒ ｓ ａ ｃ ｒ ｇｅ ｓ ｏ ｈ ｌ ａ ｄ ｔ ｂ ｅ ｔ ｅ ｃ ａ ｇ ｒ ｗ ｒ ｕ ｓｒ ｃ ： ｈ ｅ ｅ ｒ ｈ ｐ ｏ ｒ ｓ ｆ ｓ ｅｌ ｎ ｕ ｅ ｈ ａ ｘ ｈ ｎ ｅ ｅ ｅ ｓ ｍｍａ ｉｅ ． ｈ ｅ ｅ ｏ ｍｅ ｔ ｒ ｄ Ｔ ｅ ｄ ｖ ｌｐ ｎ ， ｚ

管壳式换热器广泛应用于化工、石油、电力、轻工、冶金、原子能、造船、航空、供热等工业部门。

特别是在石油炼制和化学加工装置中，占有极其重要的地位[1]。

由于它结构坚固，且能选用多种材料制造，适应性极强，尤其在高温、高压和大型装置中得到普遍应用。

据统计，在石油化工生产中，换热器的总投资约占总设备的30%~45%[2]。

管壳式换热器因其利用和回收热能的优点，在上世纪70年代的全球化能源危机之后，促使世界各国对强化传热技术进行研究、开发和应用。

迄今为止，国内外对管壳式换热器的强化传热技术的研究取得了丰硕的成果。

1.管壳式换热器强化传热技术进展一直以来，管壳式换热器的强化传热技术研究都是以实验为主。

随着计算流体力学（CFD）和计算机的飞速发展，数值模拟方法以其成本低、周期短等优点成为换热器研究的一种重要手段。

大量的CFD商业软件的出现，使得传热和流体问题的数值计算取得了突破性进展。

强化传热主要分为有源强化传热和无源强化传热。

有源强化传热技术因其受到外在能量的制约，因此工程实际中主要采用无源强化传热技术，即通过增加单位体积内的传热面积或者提高传热系数增加传热量。

迄今为止，国内外的管壳式换热器强化传热技术主要从两个方面进行：管程强化传热技术和壳程强化传热技术。

1.1管程强化传热管壳式换热器管程的强化传热主要为改变换热管的外形和管内加内插件。

其中改变换热管的外形是通过对管子进行各种加工，以期在管子的壁面上形成有规律或无规律的凸起物，这些凸起物既可以对流体进行扰动，又能断续地阻断边界层的发展。

这些强化传热管主要有波纹管、螺旋槽纹管、螺旋扭曲扁管等。

管内内插件作为一种扰流子，以固定的形状安装在换热管内，与管壁相对固定或者随流体振动，对流体产生扰动或破坏管壁表面的液体边界层以达到强化传热的目的，而且具有防垢和除垢的效果。

1.1.1波纹管波纹换热管是由沈阳广厦热力设备开发制造公司在上世纪90年代研制并成功投入使用，它由波纹管和两端的接头组成。

3)
目前设计均是根据经验或半经验,以作为估算K值
的依据。有时为满足工艺传热要求,认为选取较大的污
垢热阻比较安全可靠,这就要加大传热面积,但这将使介
质流速降低,从而反会降低传热效率。
三、 强化传热技术概况
从强化的传热过程来分，分为导热过程的强化、单
相对流传热过程的强化、沸腾传热过程的强化、凝结传
热过程的强化和辐射传热过程的强化。从提高传热系数
均面传热的计算公式为：1/K=1/α1+R1+δ/λ+R2+1/α2式
中1/K为传热总传阻， α 1、α2为传热面两侧的对流传 热系数，R1、R2为两侧污垢热阻。
1) 减小对流传热的热阻。即提高两侧的对流传热系数 α 1 、α2，具体改变 α 1 (或α2)方法。
2) 减小污垢热阻。运行中的传热设备期表面常有结垢或 结灰,这会导致传热速率降低,严重时效率降幅可达30%
的各种强化传热技术来分，可分为有功技术和无功技术，
也将其称为有源强化技术和无源强化技术，主动式强化
技术和被动式强化技术。
强化对流传热，它主要在扩大加热管的有管子内外表面扎制
成各种不同的表面形状,促进流体产生湍流,提高传热性
能。
强化沸腾传热是通过改良传热表面的性能，来强化
2) 提高热流体温度或降低冷流体温度。若条件允许，提 高热流体的温度T或降低冷流体t，都能加大其温差T-t， 从而加大△tm。但要防止当温度过高或过低可能出现的 结垢、物料沉淀或结晶等现象，导致传热恶化。因此在 设计中必须考虑该问题。
3、 提高总传热系数
提高总传热系数K是当今传热强化研究的重点。平
三要素来考虑强化传热过程。
1、 采用高效能传热面

主要内容
引言
换热器分类
常见换热器介绍 强化换热
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1.固定管板式换热器
1.挡板 2.补偿圈 3.放气嘴
它是将两端管板和壳体连接在一起，因而具有结构简单， 造价低廉的优点，但由于壳程清洗和检修困难，管外物料 应清洁、不易结垢 。对温差稍大时可在壳体的适当部位焊 上补偿圈(或称膨胀节)，通过补偿圈发生弹性变形适应外壳 和管束不同的膨胀程度，如图示。这种补偿方法简单但有 限，只适用于两流体温差小于70℃，壳程流体压强小于 0.6MPa的场合。
国内外发展概况
• 国内 为了提高换热器的传热系数，强化传热 效率，国内外出现了多种强化元件及 强化措施，主要包括在换热器中使用 螺旋槽管、横纹管、缩放管、波纹管 、大导程多头沟槽管、整体双面螺旋 翅片管等扩展表面的方法。另外，在 利用处理表面法、粗糙表面法的强化 传热技术方面也有了一定的研究。
国内外发展概况
(2)增加流动的扰动，减薄层流底层。 如在异形管内流动或在管内设置添 加物，采用波纹状或粗糙面等，使 流动方向和大小不断改变等，都可 提高对流传热强度； (3)利用传热进口段换热较强的特征， 采用短管换热器，利用机械或电的 方法使传热面或流体产生振动，采 用射流方法造成喷射传热面等。
国内外发展概况
6.翅片管式换热器
它是在管的表面上加装一定形式的翅 片，有横向和纵向两类。 翅片管换热器主要用于两种流体的对 流传热系数相差较大时，在h小的一侧 加装翅片，从而增大传热面积，提高流 体的湍动程度，以提高对流传热系数。
8.板式换热器
为了使换热器结构更为紧凑，提高单 位体积的传热面积，增加传热效果，以 及适应某些工艺过程的需要等，开发了 以板状作为传热面积的换热器，称为板 式换热器。

强化传热技术的研究石油化工学院化学工程与工艺 120130404李富士目录目录 (1)摘要 (2)1 管程强化传热 (2)1.1 螺旋槽管 (2)1.2 波纹管 (2)1.3 内插物管 (3)2 壳程强化传热 (3)2.1 折流杆换热器 (3)2.2 螺旋折流板换热器 (3)2.3 曲面弓形折流板换热器 (4)3 整体强化 (4)3.1 螺旋扁管 (4)3.2 变截面管式 (4)4 传热强化的发展趋势 (4)参考文献 (5)摘要管壳式换热器在石油化工领域应用广泛，其强化传热技术的研究受到普遍关注。

主要介绍了近年来国内与国外高效节能管壳式换热器强化传热技术研究的进展情况，分别从管侧、壳侧和整体结构改进三方面分析了管壳式换热器的强化传热效果及特点，最后提出了强化传热的发展方向。

关键词：管壳式换热器；结构改进；强化传热；发展方向管壳式换热器具有一系列优点，例如应用广泛、结构简单、成本低、易于清洗等，因此在石化、炼油等领域占据着重要地位。

传统的弓形折流板换热器占总量的70%～80%，弓形折流板换热器固然有其优点，并为产业节能方面做出了巨大的贡献，但在新的节能减排形势下，其缺点（压降大、流动死区、易结垢、震动、传热效果差）严重的限制了其发展和生存的空间，为了节能降耗，提高换热器的传热效率，需要研发能够满足多种工业生产过程要求的高效节能换热器。

因此，近年来，高效节能换热器的研发一直受到人们的普遍关注，国内外先后推出了一系列新型高效换热器［1］。

1 管程强化传热管程强化传热主要有两种方式，一是改变管子形状或者提高换热面积，如：螺旋槽管、旋流管、波纹管、缩放管、螺纹管等[2]；另一种就是增强管内的湍流程度，例如，管内设置各种形状的插入物[3]。

1.1 螺旋槽管螺旋槽管是通过专用轧管设备将圆管在其表面滚压出螺旋线形的凹槽，管子内部形成螺旋线形凸起，管内介质流动时受螺旋线型槽纹的导向使靠近管壁的部分介质沿槽纹方向螺旋流动，这就使得边界层的厚度较大程度的减薄，提高换热的效果；部分介质沿着壁面纵向运动，经过槽纹凸起处产生纵向漩涡，促使边界层分层，加速边界层中介质质点的运动，进而加快了管壁处介质与主体介质的热量传递[4,5]。

强化传热的方法原理应用引言传热是指热量从一个物体或者系统传递到另一个物体或者系统的现象。

在很多工程和科学领域，例如化工、能源、环境等，强化传热的方法是一项重要的技术。

强化传热指的是通过各种手段来提高传热效率，减少传热阻力，从而实现更好的传热效果。

本文将介绍几种常用的强化传热方法，包括换热器技术、流体增强技术和材料表面处理技术。

换热器技术换热器是一种用来实现热量交换的设备。

它通常包括热传导介质、热源、冷却剂和传热面等组成部分。

换热器技术通过设计和优化传热面积、传热面结构以及流体流动方式等参数来提高传热效率。

以下是几种常见的换热器技术：•管壳式换热器：管壳式换热器是一种常见的传热设备，它由内外两根管道组成。

热源和冷却剂通过内外管道中流动，通过传热面实现热量交换。

通过增加传热面积、优化管道布置和流体流动方式，可以提高传热效率。

•管束式换热器：管束式换热器是一种将多根管子束在一起并与传热面接触的设备。

通过将管子束在一起，可以增加传热面积，提高传热效率。

•管板式换热器：管板式换热器是一种将多根管子与壳体中的固定板相连接的设备。

通过固定板上的孔洞，使得热源和冷却剂可以通过管子进行热量交换。

通过设计孔洞形状和布局，可以优化传热效果。

流体增强技术流体增强技术是一种通过改变流体流动方式来增强传热效果的方法。

以下是几种常见的流体增强技术：•涡流管：涡流管是一种具有特殊内部结构的管子，通过其内部结构可以产生涡流，增加热传导。

在流体流过涡流管时，会产生旋转的特殊流动方式，从而增强传热效果。

•翅片管：翅片管是一种在管子外表面增加翅片的传热设备。

通过增加翅片的表面积，可以增加热量传递的表面积，提高传热效率。

•螺旋管：螺旋管是一种将管道呈螺旋形布置的传热设备。

螺旋管的优势是能够增大流体流动的路径长度，从而增加传热效果。

材料表面处理技术材料表面处理技术是一种通过改变材料表面性质来实现强化传热效果的方法。

以下是几种常见的材料表面处理技术：•表面纳米结构：表面纳米结构是一种通过制备纳米级的表面结构来增强传热效果的方法。