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摘 要：文章基于管程、壳程两方面阐述了传热强化技术和传热强化结构。由此从管程传热强化方面介绍了目前使用的一些新型强化管。基于目前国内外所使用的官桥式换热器的发展来论述管壳式换热器的研究进展。
关键词：管壳式换热器；研究进展；传热性能
中图分类号：TQ051.5 文献标识码：A 文章编号：1006-8937（2013）11-0093-02
作为石油化工等能源行业中广泛应用的单元设备，换热器（heat exchanger）因其在换热效率、流体力学性能等方面有着突出的表现而得到越来越多的关注和研究。据相关研究和统计指出，目前石油化工行业的换热器投资占整个设备总投资的35%左右，我国换热器的产业规模已达600亿元。近些来，在整个换热器的市场中，各种板式换热器的竞争力逐步提升，然而管壳式换热器依然以65%的市场占有率成为换热器市场的绝对主力。根据最新的研究成果表明，基于高效换热器和新型换热器原件为主的列管式换热器成为目前研究的重点，这可以从换热器的传热管件和壳程的折流结构获得显著的变化看出。本文主要介绍了管壳式换热器管程结构发展和壳程强化结构的发展。
1 管壳式换热器管程结构发展
1.1 改变传热面形状
1.1.1 螺旋槽纹管换热器
螺旋槽纹管作为一种高效而非常优质的异行强化传热管件，其主要是光滑管置于车床之上采取轧制而成。一般来说，螺旋槽纹管主要有单头和多头的两种。在实际的应用中，螺旋槽纹管主要以强化管内的气体和液体的传热为主要目的。螺旋槽纹管的强化机理主要是部分流体可以受到螺旋槽纹的引导作用而实现顺着螺旋槽纹管的槽进行旋转流动，另外一部分流体则顺着螺旋槽纹管的槽壁基于螺旋槽纹凸起的作用而产生一种漩涡，由此就可以将边界层和分层中的流体扰动而实现热量的传递。据相关研究指出发现多头螺旋横纹管的综合性能相较单头螺旋横纹管的综合性能而言是较差的。分析其原因，有可能是多头螺旋横纹管的热传面积较大，从而导致流体传热的时候会散发更多的热量，图1为螺旋槽纹管。
1.1.2 波纹管换热器
波纹管换热管主要是在20世纪90年代由我国东北某热力设备公司所研制而成，其主要组成部分包括波纹管和接头。波纹管换热管由于其管壁非常薄、波峰波谷高度差较大、换热管伸缩幅度自由以及可以有效改变流体的方向和速度等优点而在石油化工行业中获得较为广泛的应用。据相关研究指出，波纹管换热管的换热面积减少最大，可以高达45%，进而可以有效的进行换热。然而，波纹管换热管由于管壁的薄和管束之间的强度与刚度之间存在较大的差别而难以分析管束和管板之间的应力，因此，制定有效的强度设计标准对于解决这一问题有着重要的作用，图2为波纹管换热管的结构图。
1.1.3 螺旋扁管换热器
螺旋扁管是由瑞典某公司生产的高效换热元件，该元件的主要结构特点是由于换热段的截面类似于椭圆而在实际的应用中可以以换热器管程和壳程之间的流速来确定长、短轴之间的比例。与其它的换热器不同，螺旋扁管的流体的方向主要是呈纵向流动的，由此可以增加流体脱离管壁之后的紊流，从而可以有效的进行换热。
1.1.4 不连续双斜向内肋管换热器
不连续双斜内肋换热管主要是以轧制等方法而使换热管内部的壁面上可以形成许多与轴线成两个方向的双斜内肋，这种双斜内肋可以有效的强化对流的换热，此外其还可以有效的抗结垢能力。据相关研究指出，当Re=500～
2 300时，不连续双斜向内肋管的换热与一般的管式换热器相比可以增强250%～650%，与此随之而来的是阻力增加120%～300%；在Re=2 300-5×104的情况下，不连续双斜向内肋管换热与一般的管式换热器相比可以可增强110%～240%，阻力增加120%～240%。
1.2 管内加内插物
管内界内插物主要是可以有效强化管内单相流体的传热，从而可以以改变流道为手段来达到强化加热的目的。就目前的实际使用情况来说，管内插入物的种类繁多，无统一的标准。一般而言，主要包括静态混合器、错开纽带、纽带、螺旋线、螺旋片等。以管内插入纽带为例，对流传热系数在层流传热的情况下可以有效增加3倍左右，特殊情况下可以增加10倍左右。紊流传热系数可以增加30%左右。根据对目前实际的了解得知，在高粘度流体的换热主要采用的就是螺旋线圈作为插入物。在液体工况和气体工况中，使用绕丝花插入物的传热效果特别好，且其抗垢性能大大增强。
2 壳程强化结构的发展
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。
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。应该说，目前该种换热器是整个管壳式散热器中研究的重点。世界各国都投入了不少的精力、财力、人力、物力进行研究。例如，由我国某大学和某石油化工厂研究的折流杆螺旋槽管再沸器在无相变和冷凝传热的条件下可以比普通换热器的传热系数提高1.5倍左右，并且其抗振能力非常的好。
2.3 空心环管壳式换热器
空心环支承是由我国某大学研制成功的，该新型换热器主要是将较小的钢管截成一定大小、长度的钢管之后，置于换热管中间，从而可以达到一种线性接触的目的。在实际的使用中，空心环管壳式换热器首先是在制造材料上，相对于折流板式的换热器则可以有效的减少钢材50%左右，减少压降35%左右。图3为空心环支承结构图。
2.4 自支承结构
管子自支承结构的特点是基于管子变形突出的部位为前提而达到强化传热的目的。目前，关于自支承结构主要是有螺旋扁管式、刺孔膜片式、变截面管式、新型的管束自支承结构等四种形式。以新型的管束自支承结构为例，我们可以发现该结构主要是将钉头管和变截面混合管束支承结合在一起而形成的。每个管束都是有6个管子结合而成，管子之间形成非常稳固的形状，该管束使用钉头达到支承的目的。从而有效的达到保证管子定位的目的。
3 结 语
综上所述，管壳式换热器的发展脉络就总体上来说主要经过了支承形式的发展、板式支承、折流杆式支承、空心环支承、管子的自支承等传热性能依次加强和压降不断减少的一个发展过程。由此，我们可以看出，随着强化传热理论的不断发展和支承形式、技术之间的强势发展，换热器的传热综合性能获得了突飞猛进的发展。目前，管壳式换热器主要的发展方向就是流体的流动方式逐步的从横向流改变为纵向流。此外，在改变支承结构的基础上，在低雷诺数的条件下，尽可能的提高换热器的性能必将成为管壳式换热器研究的方向。
参考文献：
[1] 刘晓红，徐涛，俞九阳，等.管壳式换热器强化传热研究进展[J].广州航海高等专科学校学报，2005，（2）：119-122.
[2] 陈世醒，张振华，易先中.一种特殊形式的螺旋折流板换热器[J].辽宁石油化工大学学报，2005，（1）：161-163.
关键词：管壳式换热器；研究进展；传热性能
中图分类号：TQ051.5 文献标识码：A 文章编号：1006-8937（2013）11-0093-02
作为石油化工等能源行业中广泛应用的单元设备，换热器（heat exchanger）因其在换热效率、流体力学性能等方面有着突出的表现而得到越来越多的关注和研究。据相关研究和统计指出，目前石油化工行业的换热器投资占整个设备总投资的35%左右，我国换热器的产业规模已达600亿元。近些来，在整个换热器的市场中，各种板式换热器的竞争力逐步提升，然而管壳式换热器依然以65%的市场占有率成为换热器市场的绝对主力。根据最新的研究成果表明，基于高效换热器和新型换热器原件为主的列管式换热器成为目前研究的重点，这可以从换热器的传热管件和壳程的折流结构获得显著的变化看出。本文主要介绍了管壳式换热器管程结构发展和壳程强化结构的发展。
1 管壳式换热器管程结构发展
1.1 改变传热面形状
1.1.1 螺旋槽纹管换热器
螺旋槽纹管作为一种高效而非常优质的异行强化传热管件，其主要是光滑管置于车床之上采取轧制而成。一般来说，螺旋槽纹管主要有单头和多头的两种。在实际的应用中，螺旋槽纹管主要以强化管内的气体和液体的传热为主要目的。螺旋槽纹管的强化机理主要是部分流体可以受到螺旋槽纹的引导作用而实现顺着螺旋槽纹管的槽进行旋转流动，另外一部分流体则顺着螺旋槽纹管的槽壁基于螺旋槽纹凸起的作用而产生一种漩涡，由此就可以将边界层和分层中的流体扰动而实现热量的传递。据相关研究指出发现多头螺旋横纹管的综合性能相较单头螺旋横纹管的综合性能而言是较差的。分析其原因，有可能是多头螺旋横纹管的热传面积较大，从而导致流体传热的时候会散发更多的热量，图1为螺旋槽纹管。
1.1.2 波纹管换热器
波纹管换热管主要是在20世纪90年代由我国东北某热力设备公司所研制而成，其主要组成部分包括波纹管和接头。波纹管换热管由于其管壁非常薄、波峰波谷高度差较大、换热管伸缩幅度自由以及可以有效改变流体的方向和速度等优点而在石油化工行业中获得较为广泛的应用。据相关研究指出，波纹管换热管的换热面积减少最大，可以高达45%，进而可以有效的进行换热。然而，波纹管换热管由于管壁的薄和管束之间的强度与刚度之间存在较大的差别而难以分析管束和管板之间的应力，因此，制定有效的强度设计标准对于解决这一问题有着重要的作用，图2为波纹管换热管的结构图。
1.1.3 螺旋扁管换热器
螺旋扁管是由瑞典某公司生产的高效换热元件，该元件的主要结构特点是由于换热段的截面类似于椭圆而在实际的应用中可以以换热器管程和壳程之间的流速来确定长、短轴之间的比例。与其它的换热器不同，螺旋扁管的流体的方向主要是呈纵向流动的，由此可以增加流体脱离管壁之后的紊流，从而可以有效的进行换热。
1.1.4 不连续双斜向内肋管换热器
不连续双斜内肋换热管主要是以轧制等方法而使换热管内部的壁面上可以形成许多与轴线成两个方向的双斜内肋，这种双斜内肋可以有效的强化对流的换热，此外其还可以有效的抗结垢能力。据相关研究指出，当Re=500～
2 300时，不连续双斜向内肋管的换热与一般的管式换热器相比可以增强250%～650%，与此随之而来的是阻力增加120%～300%；在Re=2 300-5×104的情况下，不连续双斜向内肋管换热与一般的管式换热器相比可以可增强110%～240%，阻力增加120%～240%。
1.2 管内加内插物
管内界内插物主要是可以有效强化管内单相流体的传热，从而可以以改变流道为手段来达到强化加热的目的。就目前的实际使用情况来说，管内插入物的种类繁多，无统一的标准。一般而言，主要包括静态混合器、错开纽带、纽带、螺旋线、螺旋片等。以管内插入纽带为例，对流传热系数在层流传热的情况下可以有效增加3倍左右，特殊情况下可以增加10倍左右。紊流传热系数可以增加30%左右。根据对目前实际的了解得知，在高粘度流体的换热主要采用的就是螺旋线圈作为插入物。在液体工况和气体工况中，使用绕丝花插入物的传热效果特别好，且其抗垢性能大大增强。
2 壳程强化结构的发展
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。
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。应该说，目前该种换热器是整个管壳式散热器中研究的重点。世界各国都投入了不少的精力、财力、人力、物力进行研究。例如，由我国某大学和某石油化工厂研究的折流杆螺旋槽管再沸器在无相变和冷凝传热的条件下可以比普通换热器的传热系数提高1.5倍左右，并且其抗振能力非常的好。
2.3 空心环管壳式换热器
空心环支承是由我国某大学研制成功的，该新型换热器主要是将较小的钢管截成一定大小、长度的钢管之后，置于换热管中间，从而可以达到一种线性接触的目的。在实际的使用中，空心环管壳式换热器首先是在制造材料上，相对于折流板式的换热器则可以有效的减少钢材50%左右，减少压降35%左右。图3为空心环支承结构图。
2.4 自支承结构
管子自支承结构的特点是基于管子变形突出的部位为前提而达到强化传热的目的。目前，关于自支承结构主要是有螺旋扁管式、刺孔膜片式、变截面管式、新型的管束自支承结构等四种形式。以新型的管束自支承结构为例，我们可以发现该结构主要是将钉头管和变截面混合管束支承结合在一起而形成的。每个管束都是有6个管子结合而成，管子之间形成非常稳固的形状，该管束使用钉头达到支承的目的。从而有效的达到保证管子定位的目的。
3 结 语
综上所述，管壳式换热器的发展脉络就总体上来说主要经过了支承形式的发展、板式支承、折流杆式支承、空心环支承、管子的自支承等传热性能依次加强和压降不断减少的一个发展过程。由此，我们可以看出，随着强化传热理论的不断发展和支承形式、技术之间的强势发展，换热器的传热综合性能获得了突飞猛进的发展。目前，管壳式换热器主要的发展方向就是流体的流动方式逐步的从横向流改变为纵向流。此外，在改变支承结构的基础上，在低雷诺数的条件下，尽可能的提高换热器的性能必将成为管壳式换热器研究的方向。
参考文献：
[1] 刘晓红，徐涛，俞九阳，等.管壳式换热器强化传热研究进展[J].广州航海高等专科学校学报，2005，（2）：119-122.
[2] 陈世醒，张振华，易先中.一种特殊形式的螺旋折流板换热器[J].辽宁石油化工大学学报，2005，（1）：161-163.