船用滑油冷却器壳侧强化传热技术分析

卜锋斌

（海军驻上海七〇四所军事代表室，上海 200031）

船用滑油冷却器壳侧强化传热技术分析

卜锋斌

（海军驻上海七〇四所军事代表室，上海 200031）

介绍了滑油冷却器壳侧强化传热技术及其理论与试验研究进展。

滑油冷却器；强化传热；强化传热管；折流板

0 引言

目前，船用汽轮机系统用的滑油冷却器由于滑油的粘度大，致使其流动能力较差，在设备运行时，滑油的流动状态基本处于层流或过度状态，容易在管壁形成的边界层较厚。且目前的滑油冷却器的换热原件大多使用光管，更容易附着油膜，使换热能力变差。这些都最终导致了滑油冷却器的体积及占地面积大。现在虽然采取过多种强化换热措施以期提高冷却器换热效率、减小其体积，但效果不太理想。

为了更高效地利用能源、节省有限的空间，应探求更加有效的强化传热措施来提高滑油冷却器的换热效率、减小设备的体积，这种探究具有非常重要的价值和现实意义。

1 壳侧强化换热技术的研究进展

强化传热是自20世纪60年代发展起来的一种能够显著改善换热效率的先进技术。它的任务是促进并适应高温流体以实现用最经济的设备来达到最高的换热能力、用最有效的冷却来保护高温部件的安全运行，以及用最高的效率来实现能源的有效利用。因此，强化传热在实际工程应用中起着重要的，甚至是关键性的作用。强化传热技术已经成为现代科学中一个十分重要的研究领域。

在管壳式换热器壳侧无相变单相流动换热过程中，由于换热热阻主要集中在换热器壳侧，所以合理布置壳侧流程设计，使得壳侧流体流动形式既能强化管外换热、减少换热热阻，同时保持合理的压损成为壳侧优化设计的中心任务。

壳侧强化传热的途径主要有两种：1）通过管子形状和表面特性的改变来强化换热，即改变管子外形或在管外加翅片；2）改变壳程挡板或管间支撑物，以减少或消除壳程流动与换热的滞留死区，使传热面积得到充分利用。

1.1 改变管子外形或管外加翅片

对于强化换热管，早期油冷却器主要是使用小管径的光铜管，利用增加传热管的数量的方式来增大总传热面积，从而提高油侧传热系数，但这样的方法会使其成本提高，壳程和管程的压降变大，且不便于维修，而冷却器的传热能力依然较低[1]。

上世纪60年代以来，为了提高油冷却器的换热效率，越来越多的厂家和研究者开发了用来取代光滑管的强化传热管。例如，美国的Loyal Clarke等人提出的分段纵肋管，其传热系数能够比光管高出30%～50%，压降却仅提高了10%～20%。但是由于加工困难，至今仍未大规模推广应用。

国内也已有螺旋槽管[2]和低肋管作为强化管型的相关研究报道。图1所示螺旋槽管中，当油在管外流动时，由于受到表面螺旋沟槽的引导，使得靠近管壁部分的流体顺着螺旋槽旋转，流速加快，有利于减小边界层的厚度，使传热增强，从而提高油的传热系数。但由于油的粘度较大，而螺旋沟槽一般又较浅，不足以引起油的充分旋转和完全破坏边界层，因而强化传热的效果并不显著，总传热系数比光管提高20%左右。

图1 螺旋槽管

图2所示低肋管中，由于其肋化系数可达2.5～3，因而比光滑管扩展更多的传热面积，对油冷却器的紧凑化起到重要作用。但是，由于低肋管翅片间距小，油在翅片间流动时的湍流度低，对油冷却器传热系数的提高不大，因而一般总传热系数比光滑管提高30%左右[3]。

图2 低肋管

20世纪90年代，在深入分析和研究高粘度流体在管外流动时的传热特性的基础上，为有效激发油流动时的湍流，王世平等成功开发出了一种新型的花瓣形翅片管，如图3所示，已获得国家发明专利[4]。

图3 花瓣形翅片管

胡进以30#润滑油作为工质并对其在花瓣形翅片管外沿轴方向流动的才换热性能及压降进行了实验研究[5]，结果表明，花瓣形翅片管管外油的传热系数是低肋管的4.5倍左右，而压降与低肋管相当。花瓣形翅片管显著强化了管外润滑油的传热性能。花瓣形翅片管比低肋管强化传热性能优越，而且节约管材30%以上，还可使油冷却器小型化[6]。研究表明，花瓣管是强化高粘性流体传热的理想管型。

整体针翅管强化传热的原理是扩大二次传热面积的同时，利用流体的扰动不断破换流体的边界层，由于采用连续性扩展表面，针翅管与基管采用的是同一种材料，这消除了接触热阻，从而较大程度的提高了传热系数。

1.2 改变壳程挡板或管间支撑物

对于关键支撑物，大体可以分为横流式、纵流式、螺旋流式。近十年来，各种不同的折流板结构运用于管壳式换热器壳侧设计，如弓形折流板、折流杆、环盘折流板和搭接式螺旋折流板、整圆形折流板和空心环折流板等。

1.2.1 横流式管间支撑物

早期滑油冷却器的管间支撑物主要以横流式的弓形折流板为主，弓形折流板结构使壳侧流体以近似于“Z”形流动如图4所示，通过提高壳侧流体湍流度、混合度和流体流速达到强化换热的目的[7]。但由于弓形折流板换热器本身结构的构成方式同时伴随如局部抵换热和易发生积垢失效等的缺点。

图4 弓形折流板流动示意图

后来又出现了如多弓形折流板、三弓形折流板和双弓形折流板等改进形式的弓形折流板，它们虽然在一定程度上改善了弓形折流板的性能，但弓形折流板固有的缺点并未改变。双弓形折流板形式示意图如图5所示。

图5 单弓形和双弓形折流板示意图

1.2.2 纵流式管间支撑物

为了解决弓形折流板壳侧流体的“Z”形流动状态，世界各国都在积极研究新型的纵流壳程换热器。国外有的学者认为对于壳管式换热器，工质在壳程的纵向流动为比较好的流动形式，因为这样既可以使换热器壳程与管程的流体实现完全的逆流传热，提高传热性能，又可以使壳程流体的压降最小，尤其试对于强化管，壳程流体的纵向流动能使其流体的动能全部作用在强化传热面上，从而充分发挥强化管的传热作用。

从1986年开始，郑州大学热能工程研究中心就在研究纵流壳程换热器，中心对传统的管壳式换热器结构进行了优化，研究出了由杆圈（杆栅、圈）支撑壳程、变截面导流筒与夹套三元件组合的新结构，并且积累了大量的设计、制造以及使用经验[8]。

1.2.3 螺旋流式管间支撑物

螺旋折流板管壳式换热器的最早原型在20世纪90年代由捷克科学家 Lutcha等人[9]提出来，并被 ABB Lummus Heat Transfer公司买断进行商业化生产，其主要结构如图6所示。

图6 搭接式螺旋折流板管壳式换热器示意图

从图6可以看出，这种螺旋折流板管壳式换热器壳侧折流板形式为扇形平板按照与中心轴呈一定的倾角方式布置，其中每块扇形板占据壳体横截面1/4的面积，连续相邻的4块扇形平板成为一个周期，且相邻的两平板之间采用连续搭接或者交错搭接方式连接，同时通过合理的布置，这种换热器可以改进成为双螺旋形式。这种折流板布置方式使得流体在相邻的两个周期的螺旋板间形成的通道中近似于螺旋流动，故得名为“螺旋折流板管壳式换热器”。这种折流板结构的管壳式换热器相对于传统的弓形折流板换热器具有的优势包括：1）单位压降换热能力更高；2）能有效降低积垢与流动引发振动；3）降低制造成本与运行费用；4）延长使用寿命。陈世醒等人[10]通过实验研究发现，相较于图7所示的传统弓形折流板换热器，这种新型换热器更加适合用于壳侧换热系数高、流体粘性大和易结垢的场合。

图7 弓形折流板换热器流动示意图

1.2.3.1 螺旋折流板管壳式换热器强化换热机理研究进展

关于螺旋折流板管壳式换热器的强化换热，Lutcha和Nemcansky通过对不同流动形式的换热进行对比，认为混合流中存在局部能量无法与主流体区域传递的问题，而螺旋流动更趋近于柱塞流，所以有助于壳侧流体的换热，如图8所示[9]。Kral等人对不同形式的流体掠过管束的换热性能进行对比，当流体采用均匀流速时随着管束与流体流动方向的角度变大，换热管束换热性能变小；而当非均匀流速情况，随着管束与流体流动方向的角度变大，换热管束换热性能在倾角β=45°时达到最优，其强化效果如图9所示。

在螺旋折流板管壳式换热器机理研究的基础上，为了实现螺旋流动，不同的螺旋折流板换热器结构相应产生。1925年关于螺旋流动结构的油冷器被提出，其设计思想主要是通过将平板进行横向和竖向拼接形成阶梯螺旋，流体在阶梯通道中掠过换热管束进行换热，换热器和折流板结构如图10所示。至20世纪80年代，更多的螺旋折流板管壳式换热器的设计方案被提出，一种由中心空管和螺旋板构成的管式换热器被发明，螺旋板以中心管为旋转中心沿轴向不断延伸，其结构示意图如图11所示；一种具有可调节折流板间距的螺旋折流板管壳式换热器在1985年被申请了专利，这种换热器的折流板成对的关联并且每对折流板可根据流动和换热要求进行自动调节如图12所示。

1995年国内相关研究人员提出了旋流式换热器设计，但由于只是在壳侧加入旋流片，流体在旋流片形成的通道中并不能实现完全螺旋流动；陈亚平等人提出了类似搭接式螺旋折流板管壳式换热器发明，其设计中的重要改进在于采用三块椭圆形平板代替原先的四块扇形板导流实现近似螺旋流动[11]，如图13所示。

图8 不同折流板方式与折流板结构换热性能对比

图9 不同倾斜角度的换热特性对比

图10 螺旋折流板油冷器

图11 螺旋管式换热器

图12 可调节折流板间距的螺旋折流板管壳式换热器

图13 三块椭圆形平板螺旋折流板管壳式换热器

1.2.3.2 螺旋折流板管壳式换热器实验研究进展

实验研究由于具有能直观反应研究对象特性，在换热器设计领域作为主要的研究手段被广泛的采用。搭接式螺旋折流板管壳式换热器提出以后，对整机或者壳侧流动和换热性能进行实验测试研究工作从很多文献中可以体现，并且国内外相关实际运用反馈结果也对这种换热器的优越性能进行了证明。国内外的相关研究主要集中在影响搭接式螺旋折流板管壳式换热器的换热性能的主要结构参数包括螺旋角、漏流挡板、折流板搭接量等的探讨。实验结果表明，当螺旋角β为30°时，换热器的传热效率最高，且效率优于传统的弓形折流板换热器，螺旋角为β=40°时搭接式螺旋折流板管壳式换热器的传热效率最高[12]；通过实验测试的方式可以得出单位压降条件下螺旋折流板管壳式换热器壳程对流传热系数均高于弓形折流板换热器；对不同螺旋角的搭接式螺旋折流板冷凝器壳程传热性能和压降性能进行测试，发现螺旋型结构折流板冷凝器综合性能优于弓形折流板蒸发器，且泄流槽的存在有助于提高蒸发器性能。针对三角区的漏流挡板的影响，分别对螺旋角为β=10°和β=15°的管壳式螺旋折流板管壳式换热器加与不加阻流板进行了换热与阻力性能测试，结果表明加阻流板与不加阻流板的相比二者换热性能相当，而由于阻流板的冲击，使壳侧沿程压降显著增大。针对折流板搭接量的影响，通过研究发现随着折流板间距的减小和搭接量的增大，会导致切向脉动速度和速度分量增大，有利于换热器的换热。

1.2.3.3 管壳式换热器壳侧热力设计方法研究进展

弓形折流板管壳式换热器壳侧设计方法最早由HTRI提出了理想管束计算模型，但实际由于存在管束与折流板间、管束与壳体间的漏流，壳侧流动实际是多股流问题，为了对理想管束模型进行修正，提出了Tinker模型以及后面修改后的Palen模型，随后相继提出了Kern方法和ESDU方法，目前为止运用最为广泛的是Bell-Delaware方法。一些组织如HTRI和HTFS等也提出了一些方法，但是由于这些方法涉及商业机密未见公开文献报道。对螺旋折流板管壳式换热器设计具有自主知识产权的公司为ABB Heat Transfer，但是其相关设计也未有相关文献报道。对搭接式螺旋折流板管壳式换热器的壳侧设计进行相关的研究的文献也非常少，其中相对详细的为Stehlik和Wadker的研究，在其相关的工作之中通过图表的方法修正弓形折流板换热器Bell-Delaware的流动换热修正系数对搭接式螺旋折流板管壳式换热器进行设计。最新版本的HTRI6.0软件套装中，已经集成了搭接式螺旋折流板换热器的设计，但是采用的是目前可以查询到的文献中的方法。对于连续螺旋折流板管壳式换热器壳侧热力设计方法，仍然需要进一步深入研究，将这个方法系统化和完善化。

2 结论

本文综述了壳侧强化换热技术的研究进展，详述了通过改变折流板或换热管形式来增加油侧的强化传热效率的机理及其优劣，并介绍了各种折流板的实验研究以及热力设计方法研究的进展。

[1]张正国,王世平,林培森.水冷式油冷却器的新进展[J].华东电力,1998(6):42-43.

[2]崔海亭,袁修干.螺旋槽管综合性能的研究[J].石油化工设备技术,2001,22(5):6-8.

[3]张平.低肋管强化传热效能的数值计算分析[J].苏州大学学报(自然科学),1989,5(3):254-258.

[4]王世平,林培森,詹亚韶,等.花瓣形翅片传热管:中国,93204279.1[P].1994-1-12.

[5]邓先和,王世平,林培森,等.油冷器强化传热研究[J].化工学报,1995,46[2]:246-249.

[6]张振国，王世平，林培森,等.水冷式油冷却器的新进展[J].华东电力,1998(6):44-45.

[7]Petr Stehlik,Vishwas V.Wadekar.Different Strategies to Improve Industrial Heat Exchange[J].Heat Transfer Engineering,2002,23(6):36-48.

[8]吴金星，耿志强，刘敏珊,等.似流式管束支撑物的结构及性能对比[J].河南化工,2005(3):4-6.

[9]J.Lutcha ,J.Nemcansky.Performance Improvement of Tubular Heat Exchangers by Helical Baffles[J].Institution of Chemical Engineers,1996,68:263-270.

[10]陈世醒,张克铮,张强.螺旋折流板换热器的开发与研究(I)[J].抚顺石油学院学报,1998,18(3):31-34.

[11]陈亚平.三分之一扇形螺旋折流板管壳式换热器:中国,200820185719.7[P].2008-9-5.

[12]Jian-Fei Zhang,Bin Li,Wen-Jiang Huang,ect.Experimental performance comparison of shell-side heat transfer for shell-and-tube heat exchangers with middle-overlapped helical baffles and segmental baffles[J].Chemical Engineering Science,2009,64:1643-1653.

Analysis on Heat Transfer Enhancement Technologies in Shell Side of Marine Oil Cooler

BU Feng-bin
(Naval Military Representative Office in Shanghai Marine Equipment Research Institute,Shanghai 200031,China)

Heat transfer enhancement technologies in oil cooler shell side are introduced in this paper.The theoretic and experimental research advances are also proposed in this paper.

oil cooler,heat transfer enhancement,enhanced heat exchange tube,baffles

TK124

A

10.16443/j.cnki.31-1420.2015.05.013

卜锋斌（1979-），男，本科，研究方向：热工专业。