管壳式换热器（一）：管程传热强化
近几十年来，由于对节约能源和环境保护的重视，换热器的需求量不断增大，针对换热器强化传热技术的研究也得到广泛关注。在过程工业中，管壳式换热器使用最多，具有结构简单、加工制造容易、耐压性强、适应能力广等优点，广泛应用于化工生产中，且设计资料和数据较为完善，技术比较成熟
换热器的强化传热从广义上可以分为主动强化传热技术与被动强化传热技术两大类。
主动传热强化需要外部对系统施加动力来实现强化传热的目的，如对流体进行搅拌、施加表面振动、流体振动、静电场、磁场等。主动强化传热技术比较复杂，需要外部器械进行辅助，并不适用于大部分系统。
被动强化传热指不需施加外力，依靠改造传热面、改变流道形状或附设导流原件等措施来改变流体的流动，促使边界层流体发生较大的扰动，以达到强化传热效果。主要通过优化换热器几何结构、改变流体物性等来提高传热速率，不需要外部设备且操作简单，因此更加广泛地被应用于实际工艺中。强化传热技术的发展一般可以划分为5个阶段：
第一代为光滑表面阶段，通过人为使表面粗糙化可称为第二代，第三代为插入件扰动阶段，第四代为喷流扰动阶段，第五代为使用旋流器等贴壁流扰动阶段。第四、第五代多为主动强化传热技术，由于主动强化传热技术运用条件较为复杂，目前国内外针对管壳式换热器强化换热的研究主要还是集中于被动强化传热技术换热器强化传热的目的是在相同动力消耗条件下，单位时间、单位面积下尽可能增加换热量。通过提高利用效率使其结构更加紧凑，占用空间少，节约原料同时提高生产率。
针对管壳式换热器的强化传热主要有以下方式：管程强化传热、壳程强化传热、流体本身物性优化以及复合强化传热等。其中管程强化传热主要是通过改变换热管外形，在换热管表面加工形成凸起对流体进行扰动，从而强化传热。目前主要研究的强化换热管包括波纹管、横纹管、螺旋扁管、缩放管、翅片管等。在管内添加插入物，不断改变传热面形状扰动管内流体，常用的内插件有纽带、间隔纽带、螺旋片、螺旋线等。
针对管壳式换热器管程的强化传热主要采用强化传热管或加入管内插入物。其中强化传热管主要包括波纹管、横纹管、螺旋扁管、缩放管以及内翅片管等，如图1 所示。
图一：强化传热管
流体在强化传热管中流动时，由于管壁表面的不断变化，对流体造成扰动，层流边界层遭到破坏，从而强化传热。波纹管是由薄壁光滑管加工而成，传热系数为光滑管的2～4 倍。横纹管是在金属管材上变截面连续滚轧成型，有效面积无太大扩展，靠突出肋对流体产生扰动。螺旋扁管是将光滑圆管压扁，并按一定导程扭曲而形成的管型。管内螺旋状流道使流体产生旋转，增加流体扰动程度，促进流体混合，极大提高换热效率。缩放管通过管段收缩变化使流体产生回转旋涡从而提高传热系数，但其加工工艺相对复杂。内翅片管的传热面积有较大增加，且流体微团在壁面产生回转旋涡，从而提高传热系数。
强化传热管相对光滑管传热性能可以大幅提高，但其加工较为复杂且不易清洗，适用于不易结垢的流体强化传热。管内插入物具有加工简单、不改变传热管形状等优点，适用于现有换热器的改造。管内插入物可以扰动管内流体，形成旋流和二次流，增强湍流强度，破坏层流边界层，从而加快流体与传热管的换热，同时摩擦系数较小，能够有效清除污垢，被广泛应用于换热器中。常见的管内插入物主要为金属纽带（图2）及螺旋片（图3）等。
图二：金属纽带
图三：螺旋片
纽带是一种结构简单的旋流发生器，由薄金属片扭转而成，与光滑管相比，传热系数可以提高2倍以上。针对金属纽带的研究集中于纽带传热强化的性能及纽带几何结构的优化。NAPHO对换热管内有无金属纽带插入物进行了实验研究对比，发现管内添加金属纽带能够明显提高传热速率，同时摩擦因子也会增加，并针对努塞尔数与摩擦因子提出了关系式。KUMAR 等改变纽带扭曲率，并研究不同几何结构的纽带传热管对太阳能热水器传热的影响。
当扭曲率从3.0 改变至12.0 时，太阳能热水器的传热系数相对光滑管增加18%～70%，同时压力增加87%～132%，综合考虑传热性能与压降，插入纽带管的集热器适宜应用于较高品味的能量中以平衡压降损失。SARADA 等对水流经不同宽度的纽带换热管中进行了实验研究，结果表明当纽带宽度从10mm增加至22mm，传热系数增加36%～48%。EIAMSA-ARD 等研究不同错开长度纽带的传热性能，结果表明错开纽带由于错开角引起的流体扰动，相对于平滑纽带具有更高的努塞尔数、摩擦因子及热性能系数。当错开长度与光滑纽带比值为0.5、1.0、1.5 和2.0 时，努塞尔数相对光滑纽带管提高了52%、47%、43%和37%，比值为0.5 的错开纽带管表现出最佳的传热性能。螺旋片也是一种常见管内插入物，如图3 所示，螺旋片是由一定直径的铜丝或钢丝按照一定的节距绕成。对于雷诺数较大的湍流区，增加主流的扰动对传热影响并不大，而管壁附近的层流导热对过程起控制作用，螺旋线正好处于壁面附近，在近管壁区域引起湍流扰动，从而有效提高传热系数。
AKHAVAN-BEHABADI 等进行了机械润滑油流经不同螺旋线换热器内管的实验，对不同螺距、螺旋角度以及螺旋线厚度进行对比，结果表明当螺旋线厚度为2mm 时，管程努塞尔数相对平管增加2.2倍，当厚度为3.5mm 时可达到3.2 倍。MARTINE等对牛顿流体及非牛顿流体在层流及过度流状态下流经不同结构螺旋线内管的传热性能进行研究，其中牛顿流体选用丙二醇，非牛顿流体选用质量分0.1%的羧甲基纤维素（CMC）水溶液。结果表明在低雷诺数下，螺旋线强化传热效果不显著，当雷诺数高于500 时，则开始表现出强化换热效果。当雷诺数为700 左右时，丙二醇努塞尔数为光滑管的4 倍，CMC 水溶液努塞尔数为光滑管的3倍。
GUNES 等针对管内螺旋线提出田口优化，综合考虑系统整体的导热及压降性能，当螺旋线与管径的比值为0.0375、螺距与管径比为1.0、侧边长度与管径比为0.0714、雷诺数为19800 时，每单位压降下的传热系数最高，表现出最佳的综合性能。管内插入物在强化传热的同时也存在一定的缺点，包括金属耗材较多、增加换热器整体质量以及在处理不洁净流体时容易造成管道堵塞等，适用于雷诺数较小且流体不易结垢的工况。
1、折流杆式换热器
20世纪70年代初，美国菲利浦公司为了解决天然气流动振动问题，而将管壳式换热器中的折流板改成杆式支撑结构，开发出了折流杆换热器。研究表明，这种换热器不但能防振，而且还提高了传热系数。此种换热器广泛应用于单相沸腾和冷凝的各种工况。其总传热系数比普通折流板换热器提高40~60%，且抗振性能好。把折流杆支撑结构与螺旋槽管、横纹槽管、底翅片管、T形翅片管等强化传热管组合，形成复合强化传热技术。
折流杆换热器是目前应用最广的新型管壳式换热器。
2、空心环式换热器
空心环管壳式换热器是我国于20世纪90年代发明的一种新型管壳式换热器。空心环是由直径较小的钢管截成短节，均匀地分布于换热管管间的同一截面上，呈线性接触，在紧固装置螺栓力的作用下，使管束相对紧密固定。空心环作为支撑形式，已成功地应用于小型氮肥厂。据报道，在相同条件下，其传热面积虽比单弓形支承可减少35％，传热速率则可增加38％，泵功率可减少75％。
3、螺旋折流板换热器
螺旋折流板换热器是最新发展起来的一种管壳式换热器，是由美国ABB公司提出的。与常规折流板相互平行布置方式不同，它的折流板相互形成一种特殊的螺旋形结构，每个折流板与壳程流体的流动方向成一定的角度，使壳程流体做螺旋运动，能减少管板与壳体之间易结垢的死角，从而提高了换热效率。在气—水换热的情况下，传递相同热量时，该换热器可减少30％~40％的传热面积，节省材料20％~30％。此换热器尤适宜于处理含固体颗粒、粉尘和泥沙等流体。
4、扭曲管换热器