冷卻器在化工、石油、動力、冶金、制冷、原子能、造船、食品等工業(yè)部門中有著廣泛的應(yīng)用。近40 年來, 國內(nèi)外對管內(nèi)強化傳熱進(jìn)行了大量的研究, 取得了豐碩的成果,目前已有的強化傳熱管技術(shù)不下百余種。相比之下, 殼程強化傳熱方面的研究遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒有管程研究的廣泛和深入。直到20 世紀(jì)70 年代, 殼程強化傳熱技術(shù)才開始受到重視, 并取得了較大進(jìn)展。
        殼程強化傳熱的途徑主要有2 種: 一種是改變管子外形或在管外加翅片, 即通過管子形狀和表面特性的改變來強化傳熱, 如螺紋管、螺旋槽管、外翅片管等強化傳熱管技術(shù); 再一種是改變殼程擋板或管間支撐物, 以減少或消除殼程流動與傳熱的滯留死區(qū), 使傳熱面積得到充分的利用。第一種途徑與管內(nèi)強化傳熱技術(shù)機理一致, 已有很多文獻(xiàn)報道。冷卻器殼程擋板或管束支撐物的發(fā)展表現(xiàn)為折流板的改變, 其目的是將泵功最大程度用于增強傳熱方面, 而不是消耗于管間支撐物。現(xiàn)有的支撐形式有板式支承、桿式支承、空心環(huán)支承和管子自支承。
1　板式支撐結(jié)構(gòu)
        傳統(tǒng)的冷卻器采用單弓形折流板支承, 殼程流體易產(chǎn)生流動死角, 傳熱面積無法被充分利用, 因而殼程傳熱系數(shù)低、易結(jié)垢、流體阻力大。并且當(dāng)流體橫向流過管束時,還可能使管子產(chǎn)生誘導(dǎo)振動, 破壞管子及其與管板連接的可靠性。因此, 為了消除它的弊端, 近20 年來出現(xiàn)了許多新型的殼程折流板支承結(jié)構(gòu), 如多弓形折流板、整圓形板、異形孔板、網(wǎng)狀板、弓形折流板加平行分隔板、螺旋折流板等。這些新型折流板支承結(jié)構(gòu)的共同特點是盡可能地改善殼程流體流動和傳熱死區(qū), 降低殼程流體流動阻力, 而且管束的抗振性也能得到增強。
1. 1　雙弓形及三弓形折流板
        雙弓形折流板在換熱器殼側(cè)將流體分成兩股平行束, 橫向流動的長度(即橫流經(jīng)過的列管數(shù)) 大致為具有同樣缺口的單弓形折流板的一半, 與具有相同折流板間距和缺口的單弓形折流板相比, 雙弓形折流板的壓降為可比設(shè)備相應(yīng)值的30 %～ 50 % , 而傳熱系數(shù)是可比設(shè)備相應(yīng)值的60 %～ 80% [1 ]。類似于雙弓形折流板, 三弓形及多弓形折流板則在換熱器殼側(cè)將流體分成三股或多股流。
1. 2　整圓形折流板
        為了盡可能地改變弓形折流板支承的橫向流動為平行于管子的縱向流動, 消除滯留死區(qū), 提高流體在殼程的流速,在電站和石油化工中, 出現(xiàn)了整圓形折流板。最初出現(xiàn)的整圓形折流板在板上鉆大圓孔, 既讓管子通過, 又有足夠的間隙讓流體通過。管內(nèi)外流體總體呈縱向流動, 傳熱溫差推動力大, 并且由于管壁與孔板之間的圓環(huán)間隙通道對流體可產(chǎn)生射流作用, 使流體離開空口很快就形成湍流, 使壁面不易結(jié)垢, 殼程傳熱得到強化。但整圓形折流板增大了換熱器殼體的直徑, 并且由于缺乏管子支承結(jié)構(gòu), 這種換熱器的管束抗振性能也很差。為改進(jìn)大管孔整圓形折流板的不足, 在管孔之間開小孔, 使傳熱介質(zhì)由小孔通過折流板, 這樣就不用增大殼體的直徑了。
        帶小孔的整圓形折流板在管孔與管子之間的間隙內(nèi)很容易積垢, 引起腐蝕。為了彌補這一缺陷, 出現(xiàn)了矩形孔、梅花孔等異形孔的折流板結(jié)構(gòu), 這種折流板既能支承管子, 又能讓傳熱介質(zhì)流過折流板, 當(dāng)介質(zhì)流過管孔時, 能產(chǎn)生射流,對管子有沖刷和自清潔作用, 從而消除了管子結(jié)垢和垢下腐蝕。
        異形孔板雖然優(yōu)點很多, 但加工制造相對困難, 費用偏高, 因此工業(yè)上又出現(xiàn)了網(wǎng)狀整圓形折流板。其折流板為整圓, 以每四個同一行的相鄰折流孔為一組, 在小橋處銑通, 殼程流體從銑口通過折流板, 成全面積均勻縱向流動[2 ]。
1. 3　弓形折流板加平行分隔板
        在單弓折流隔板冷卻器的兩折流隔板間平行插入了一塊或數(shù)塊平行流分隔板, 可將原通道改為多股平行通道, 將原單股流分為多股平行流。這樣, 就能有效控制板間回流死區(qū)的渦尺度, 使板間流場得以均化及管間流阻得以減少。在Re 不太高的情況下加兩塊平行流分隔板后, 能在一定程度上控渦均化殼側(cè)流場, 并且能起到較好的強化傳熱效果。帶平行流分隔板的弓形隔板換熱器的強化傳熱綜合性能評價因子在測量的Re 范圍內(nèi), 其值約為1. 20～ 1. 15 左右,強化因子隨Re 數(shù)的增加而減小, 這種強化傳熱技術(shù)適合在中低雷諾數(shù)下采用[3 ]。
1. 4　螺旋折流板
        螺旋折流板冷卻器是將傳統(tǒng)的垂直弓形板換成螺旋狀或近似螺旋狀的折流板, 折流板與換熱器殼體橫斷面有一個傾斜角度, 使得流體在殼程沿螺旋通道流動。按流道多少螺旋折流可分為單頭或雙頭。圖1 為流體在弓形折流板和螺旋折流板換熱器殼側(cè)流動情況對比的示意圖。

圖1　弓形折流板換熱器與螺旋折流板換熱器殼側(cè)流體流動對比示意圖
        螺旋折流板換熱器的螺旋折流板使流體在殼側(cè)呈連續(xù)柱塞狀螺旋流動(即p lug 流) , 不會出現(xiàn)傳統(tǒng)折流板換熱器內(nèi)的流動“死區(qū)”, 并且由于旋流產(chǎn)生的渦與管束傳熱界面邊界層相互作用, 使湍流度大幅度增強, 有利于提高殼側(cè)傳熱膜系數(shù)。
2　桿式支撐結(jié)構(gòu)
        為了解決傳統(tǒng)折流板換熱器因流體橫向沖刷管束引起的振動和破壞問題, 出現(xiàn)了折流桿支承結(jié)構(gòu)。折流桿支承結(jié)構(gòu)由折流柵和支承桿組成。折流柵是由在一圓環(huán)(折流圈) 上焊接一定數(shù)量的圓桿(折流桿) 構(gòu)成, 每四個不完全相同的折流柵構(gòu)成一折流柵組(圖2)。折流柵上的折流桿交錯穿插于管子之間, 折流桿的直徑約等于相鄰管子之間的間隙, 管子被折流桿緊緊夾住。
        由于折流桿換熱器殼程流體為縱向流動, 基本不存在流動死區(qū)。另外, 流體流過折流桿(圓桿) 后在其兩側(cè)交替產(chǎn)生和脫離旋渦(卡漫渦街) , 且流體流過折流柵時流通截面縮小, 之后又?jǐn)U大, 從而產(chǎn)生文丘里效應(yīng)。由于卡漫渦街和文丘里效應(yīng)的作用, 使流體對管壁形成較強烈的沖刷, 從而減薄了傳熱邊界層, 也就強化了殼程傳熱。
圖2　折流柵網(wǎng)架結(jié)構(gòu)

3　空心環(huán)支撐結(jié)構(gòu)
        空心環(huán)支承結(jié)構(gòu)是采用空心環(huán)網(wǎng)板取代折流板做管間支撐物。空心環(huán)由直徑較小的鋼管截成短截, 均勻地分布于管間的同一截面上, 與管子呈線性接觸, 使管束相對緊密固定而成。空心環(huán)支承傳熱管束的示意圖如圖3 所示。采用空心環(huán)管間支承可大幅減少氣體因在殼程作反復(fù)折流而損失的流體輸送功, 依靠增加管間氣速提高管外傳熱膜系數(shù), 達(dá)到流體輸送功的最佳利用。二是采用粗糙型傳熱管, 如縮放管、低肋管、花瓣管等, 強化流體縱向沖刷時的對流換熱。
圖3　空心環(huán)支承傳熱管束示意圖

4　管子自支撐結(jié)構(gòu)
        為簡化管束支撐、提高換熱器的緊湊度, 近年來開發(fā)出一些自支撐管, 如刺孔膜片管、螺旋扁管和變截面管等。這類管靠管自身的一部分如刺孔膜片、螺旋線或變徑部分的點接觸來支撐管子, 同時又組成殼程的擾流元件, 增大了流體自身的湍流度, 破壞了管壁上的流體邊界層, 從而使殼程傳熱進(jìn)一步增強。
5　結(jié)語
        冷卻器殼程強化傳熱技術(shù)的發(fā)展表現(xiàn)出2 個特點: 一是殼程內(nèi)流體流動由橫向流動變?yōu)槠叫杏诠茏拥目v向流動, 使流動壓降減小, 傳熱面積得到充分利用; 二是支撐形式向著低流阻、結(jié)構(gòu)簡單、制造方便和　省材方向發(fā)展。通過對殼程強化傳熱研究的探討, 將低流阻、高傳熱效率的殼程強化傳熱支撐結(jié)構(gòu)與高效強化傳熱管相結(jié)合的復(fù)合強化傳熱技術(shù), 使整個換熱器的傳熱綜合性能得到提高, 將是冷卻器發(fā)展的方向。
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