文 献 综 述

一．研究背景

目前在我国石油化工行业中, 换热设备投资占设备投资的30 %以上, 在换热设备中, 使用量最大的是管壳式换热器。管壳式换热器是当今应用最广泛的换热设备,它具有高的可靠性和简单易用性^[1]。常见的管壳式换热器主要有：(1)固定管板式换热器；(2)浮头式换热器；(3)U 形管式换热器；(4)釜式重沸器；(5)填料函式换热器^[2]。

管壳式换热器由一个壳体和包含许多管子的管束所构成， 冷、热流体之间通过管壁进行换热的换热器。它适应于冷却、冷凝、加热、蒸发和废热回收等各个方面^[3]。在各种换热器中, 由于管壳式换热器具有单位体积内能够提供较大的传热面积、传热效果好、适应性强、操作弹性大、易制造、成本低、易于检修和清洗等优点^[4]。管壳式油冷却器则是其中一种应用。

二．管壳式换热器

2.1结构组成

管壳式换热器结构由壳体、传热管束、管板、折流板和管箱等部件组成。壳体多为圆筒形，内部装有管束，管束两端固定在管板上。进行换热的冷热两种流体，一种在管内流动，称为管程流体；另一种在管外流动，称为壳程流体。

2.2工作原理

管壳式换热器也称列管式换热器。是一种以封闭在壳体中管束的壁面作为传热面的间壁式换热器^[5]。管壳式油冷却器的工作原理为冷却水和油在管程和壳程的流动、传热, 有效控制油的温度, 保证系统的正常运行。

2.3应用区域

目前广泛应用于汽车、化工、电力,其他如动力、原子能、冶金、食品、交通、家电等工业部门也有着广泛的应用, 其性能好坏直接影响上述工业的发展。

广泛用于电厂汽轮发电机组和磨煤机等大型设备轴承润滑油冷却的油冷却器, 目前仍以管壳式为主, 传热管为光滑管, 弓形隔板作为管间支撑物, 在这种管壳式结构中, 油一般设计为走壳程,水走管程^[6]。

2.4设计

2.4.1设计原则

换热器的选择涉及因素很多, 如介质的腐蚀性及其它特性、操作温度与压力、换热器的热负荷、管程与壳程的温差、检修与清洗的要求等。具体选择时应综合考虑各方面因素。对管壳式换热器的设计, 应从以下方面考虑：(1)管壳程流体流径的确定;(2)流体流速的选择;(3)流体允许压力降的选择;(4)换热终温的选择;(5)管程和壳程数的确定;(6)设备结构的选择。还应根据实际工程需要结合实际工作经验方可设计出经济合理的换热器^[7]。

2.4.2设计计算

在管壳式换热器的设计中,要根据换热器的工艺条件初步确定换热器的传热系数,以便初步确定换热器的传热面积和结构尺寸。在初步确定换热器结构尺寸的基础上, 对换热器的管程换热系数和壳程换热系数进行传热计算; 最后进行核算, 其中包括壳、管程压力降的核算, 管束壁面温度的核算等。经过不断地调整换热器的结构尺寸, 直至满足设计要求^[8]。

2.4.3设计中常见问题

在按GB151-1999《管壳式换热器》进行设计时，常常会忽略标准中的一些说明规定，致使取值不正确，设计不合理，从而影响设备的安全可靠性。下面是在设计及校核图纸时常遇到的问题：(1)固定管板式换热器管板计算时，管、壳程平均温度取值不当的问题; (2)固定管板式换热器拉杆固定端选择的问题;(3)膨胀节位置设置的问题; (4)带隔板槽的管板隔板槽面积计算的问题;(5)壳程圆筒轴向应力计算时，焊接接头系数选择的问题; (6)换热管与管板的连接问题;(7)卧式换热器采用鞍式支座时固定端与滑动端选择的问题;(8)固定管板式换热器管程压力高于壳程压力时应注意的问题^[9]。

除了一些常规问题应按照GB151-1999《管壳式换热器》、GB150-1998《钢制压力容器》进行设计外，还应着重注意以下几点问题：(1)管、壳程试验压力的选取;(2)计算工况的选择; (3)分程隔板槽面积和换热管受压失稳当量长度; (4)膨胀节刚度的输入;(5)旁路挡板、挡管的设置;(6)管箱法兰与管程筒体对接问题^[10]。

2.5优化设计

如何确定最佳的换热器, 是换热器优化的问题,即采用优化方法使设计的换热器满足最优的目标函数和约束条件。在换热器设计中, 最优目标函数是指包括设备费用和操作费用在内的总费用最小^[11]。从经挤观点出发, 罗贻乡提出以经济效益最大或年固定运行费最少为目标的并用ε-NTU作优化判据寻求换热器最佳换热面积的寻优方法^[12]。另外，上海焦化有限公司与上海化工装备有限公司共同合作, 针对生产使用情况, 从实际出发, 设计研制了一种新型浮头管壳式冷却器,这是一种目前国内尚未有介绍的全新结构的换热设备。为了从结构上保证符合新设计的冷却器热传导技术性能^[13]，设计上对冷却器的浮动隔板部分结构进行了改进;对封头、管板、壳体三者间的连接结构进行了改进, 解决了管程清理时壳程内介质的外泄问题。对封头隔板的结构进行改进和对封头、管板、壳体连接结构进行改进。经测试, 改进后的新型冷却器各项技术性能参数均达到设计要求。新的冷却器换热效果理想, 节能效果明显, 大大减少了停车清垢的次数和时间,深受使用部门欢迎^[14]。

2.6强化传热

根据强化传热理论^[15],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,需要增大管内或管外的传热系数以得到最高的总传热系数，因此，强化传热理论在工程中的应用不是单一的模式，而是呈现出3 种趋势，即对管内、管外、管束整体的强化传热^[16]。

管壳式换热器壳程的传热强化主要有两种途径:一是使用强化管束, 譬如花瓣形翅片管、横纹管、缩放管等, 利用粗糙的传热肋面促进流体边界层的湍流度来强化传热;另一途径是优化壳程的结构来强化传热^[17,18]。管壳式换热器中，由管板间隙引起的漏流不利于换热器的传热,提高管程流体的进口速度，即增加换热器的换热量可以提高壳程工质的火用传递有效度指标^[19]。

2.7性能

螺旋隔板与花瓣管配合是一种高传热效能的油冷却器形式, 总传热系数可为普通弓形隔板光滑管油冷却器的5倍左右^[20]。翅片角小的螺纹翅片管的传热性能要优于翅片角大的螺纹翅片管，而翅片角度的大小对流动阻力的影响较小^[21]。

具有相同的几何形状，结构，挡板数和长度的管束，但在相同的外壳内使用不同的外管表面进行实验。在低于一定值雷诺数（Re），波纹和微翅片管显示的性能下降，在较高的雷诺数下，微翅片管的热交换器的性能大大改善了^[22]。

壳管式油冷却器，对重叠螺旋折流板和弓形隔板进行实验比较，结果表明，使用螺旋折流板的油冷却器比使用弓形折流板的油冷却器具有更低的壳侧压降和更高的传热系数^[23]。

三．失效及对策

管壳式换热器因流体流动而引起振动，防止振动的方法, 通常是在壳体内沿流向加若干块防止声震动的纵向隔板,防止驻波振动的翅片，减小管子的无支承最大跨长，在管子间绕带、插进棒、波形棒、板或楔子以阻止管子运动。使用折流棒的管壳式换热器，降低接管内流体的速度, 可增大接管直径以降低接管内流速，减少管子在折流板处的磨损^[24]。

换热器的失效大多数是由腐蚀引起的。最常见的腐蚀部位是换热管，然后依次是管板、换热器封头及小直径的接管。管束腐蚀和磨蚀失效的主要原因有: ( 1) 污垢腐蚀; ( 2) 流体有腐蚀性; ( 3) 管内壁有异物积累而发生局部腐蚀; ( 4) 管端发生缝隙腐蚀等。预防措施包括: ( 1) 定期清洗管束; ( 2) 合理选材; ( 3) 在流体中加入缓蚀剂; ( 4) 在流体入口设置过滤装置和缓冲结构等^[25]。而导致换热器失效的化学腐蚀主要有电偶腐蚀和化学腐蚀两种^[26]。

管子与管板的连接失效.管子与管板的连接接头形式可分为焊接、胀接和胀焊并用三种。接头形式不同, 失效形式也各异。预防焊接措施有:①打磨管端防止结点污染, 控制焊接过程使不发生烧穿或未焊透等缺陷;②采取焊前预胀以减小管子与管板孔之间的间隙;③根据直径大小分成若干区,焊接时由中央开始放射形在对角区域内顺序焊接,以防止焊接变形和减小残余应力。预防胀接失效措施包括:①根据介质特性选择合适的材料及采用强度焊;②控制使用温度与胀接时环境温度等。胀焊并用实现了焊接和胀接的优势互补,具备抗反复热冲击及热腐蚀、提高接头的抗疲劳性能和消除间隙腐蚀等优点。但是, 胀焊并用时操作要求高, 一般用于操作条件比较苛刻的场合^[27,28]。

四．研究进展

管壳式换热器是当今应用最广泛的换热设备,它具有高的可靠性和简单易用性。特别是在较高参数的工况条件下，管壳式更显示了其独有的长处。目前在提高该类换热器性能所开展的研究主要是强化传热, 适应高参数和各类有腐蚀介质的耐腐材料以及为大型化的发展所作的结构改进^[29]。从管程、壳程两方面介绍了传热强化技术和传热强化结构。管程传热强化方面主要介绍了一些新型强化管, 壳程方面主要介绍了一些新型的支承结构。

4.1管壳式换热器管程结构发展

管程强化传热技术可归结为两个方面: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。（1）改变传热面形状：螺旋槽纹管换热器^[30]，波纹管换热器，螺旋扁管换热器，螺旋扁管换热器，不连续双斜向内肋管换热器。（2）管内加内插物。

图4 螺旋槽管结构

图5 波纹管换热器

4.2壳程强化结构的发展

壳程的传热强化研究包括管型与管间支撑物的研究。根据不同的管束支承结构可分为板式支承、杆式支承、空心环支承、管子自支承等几种形式。

4.2.1板式支撑结构的发展

在以往的管壳式换热器中，由于技术的落后等原因而致使其多数使用一种弓形隔板作为，然后弓形隔板的阻力大、死角多、传热面积小而在实际运用中有着较大的缺陷。而后随着散热器技术的快速发展，折流板获得了大大的改进。目前比较先进的折流板主要包括各种网状板、多弓形折流板、异形孔折流板和整圆形折流板。这些后来改进和研发的折流板主要是将流体的流动方向给改变了，从而可以大大的增加散热的面积，提高管束的抗振性能^[31]。

4.2.2杆式支撑结构的发展

杆式支撑结构的发展主要是有美国某石油公司于20世纪70年代奠基而成。目前，作为杆式支撑结构的典型代表是折流杆换热器。该换热器由2个横栅和纵栅组成的若干组折流栅组成，在设计上，其突出的特点是折流圈上焊接有若干的折流杆，而折流杆上又有若干个折流栅。在实际的使用总，该折流杆换热器不仅可以有效的实现传热的目的，而且可以降低壳程的压降^[32,33]。

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