管壳式换热器（二）：壳程强化传热
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。本文继续介绍壳程强化传热的内容 壳程强化传热可以通过改变换热管外形，在换热管外壁加工翅片形成扩展表面，增加换热面积，提高换热效率，以及通过优化壳程支撑结构来实现壳程强化传热。壳程管束支撑结构如弓形隔板、螺旋隔板等可以通过引导流体进行流动进行强化传热。针对管束支撑结构的研究主要集中在螺旋隔板结构的优化方面。
换热器壳程强化传热包括扩展表面和管束支撑结构等。扩展表面主要是在传热管外壁加工形成翅片，增加传热面积并对壳程流体进行扰动。翅片管有多种形式，如图1所示。常见的有低肋管、光滑扩展翅片、交叉扩展翅片、金属丝带扩展翅片、针翅管、花瓣管等。针对不同类型的光滑扩展翅片管进行了较多研究。LIU 等对开孔翅片管换热器进行数值研究，对开孔翅片与光滑翅片进行了对比以及研究不同开孔间距对空气侧传热性能的影响。当翅片间距为10mm 时，雷诺数为750 的工况下j因子提高0.3%，雷诺数为2350 时j 因子增加8.1%。
SYED 等对不同顶端厚度的翅片进行模拟，如图2所示，结果表明翅片厚度对系统传热具有明显的影响，当β1/β2 为20%，努塞尔数相对三角形翅片增加178%，j 因子增加89%。IQBAL 等对多种不同翅片状换热器进行数值模拟，发现翅片数量、半径比、特征长度等对传热具有很大影响。当翅片长度越长、厚度越厚，强化传热越明显，新型的翅片换热管相比传统翅片管努塞尔数可提高312%。秦朋等对R407C 制冷工质在花瓣型翅片管及低肋管外的冷凝传热性能进行对比，在相同壁面过冷度下，花瓣型翅片管管外冷凝传热系数是光滑管的4.6～5.4 倍，比低肋管提高15%～25%。翅片管不仅扩大了传热面，又可造成流体的强烈扰动，破坏流体的层流边界层，增加紊流度，使传热效率提高，达到强化传热的效果。翅片管多用于两侧传热系数相差较大的情况，如气体液体强制对流换热，传热系数的变化主要取决于较小给热系数侧。在气体侧采用翅片扩展表面可以使传热系数提高50%～150%，从而缩小换热器尺寸。
图1不同翅片类型的翅片管
图2 不同厚度翅片管速度分布云图
针对管壳式换热器壳程强化传热，更多研究在于壳程支撑结构的设计及优化。管束支撑结构作为换热器重要的结构之一，不仅能够增加管间流速，使流体横向流动，增加湍流，以提高管间的传热效果，而且可以支撑管束，减少系统震动，减轻壳程结垢，显著提高换热器的综合性能。传统的弓形隔板换热器如图3所示，具有结构简单、加工简单以及安装方便等优点，但同时存在流动死区以及压降较大的缺点。针对壳程隔板的优化一直得到国内外学者的广泛关注，多种不同结构的隔板被设计以及制造，如偏转挡板、重叠螺旋挡板以及折流杆等。
螺旋隔板作为一种新型的隔板结构，首先被ABB Lummus 传热公司商业化生产，这种结构具有优越的性能：能够增加壳程传热系数同时压降相对弓形隔板小，能够减小壳程污垢，减小流体流动产生的振动同时减少维护成本。这种结构一被提出就引起学者广泛关注，针对螺旋隔板的优化进行了许多研究。ZHANG 等对不同隔板的导热油冷却器进行了实验研究，分别考察了弓形隔板与重叠螺旋折流板，结果表明在相同的体积流量下，螺旋隔板壳程传热系数比弓形隔板小，同时压力损失也较小。螺旋隔板换热器每单位压降下的传热系数较高，通过选择最佳的螺旋角度和重叠率，可以显著提高螺旋隔板管壳式换热器的综合热性能。PENG 等对连续型螺旋隔板（图4）及弓形隔板换热器进行了实验对比，发现与传统弓形隔板换热器对比，在相同压降的情况下，螺旋隔板换热器传热系数可以增加10%以上。
图3 弓形隔板换热器
图4 连续型螺旋板换热器
LEI 等对不同隔板的换热器进行研究，包括弓形隔板、螺旋隔板以及双层螺旋隔板，导热油流经换热器壳程同时冷水逆流经管程。实验与数值结果表明，当管程流体流量不变时，壳程传热系数随着壳程流速增加而增大。单层螺旋隔板的换热器传热量是弓形隔板换热器的75%，同时压力只有后者的50%，表明在相同的泵消耗功率下，螺旋隔板换热器相比弓形隔板换热器具有更高的传热系数，同时双层隔板换热器比单层隔板换热器传热系数高出10%，这是因为双层螺旋隔板减少了流体流进缝隙的流量，同时增大了对壳程流体的扰动，使流体湍流强度更明显。
ZHANG 等对不同螺旋角的重叠螺旋折流板进行了实验与数值模拟，采用周期性模型并与实验数据进行比较验证其正确性。改变不同的螺旋角（30°、40°、50°）对流体的传热压降特性进行研究，结果发现重叠式隔板的传热性能相对连续型隔板较好，且40°的重叠螺旋隔板单位压降下的传热系数最高。DONG 等对螺旋隔板的不同几何结构进行模拟，研究了不同类型、不同角度的重叠折流板，模拟结果表明20°的周相重叠三分螺旋折流板（图5）具有最强的二次流，反向泄露最少，热流量最高，j0/f0 最高，表现出最好的综合性能。
TAHER 等对不同螺旋隔板的间隙进行了数值研究，研究发现当隔板间隙减小时，压降损失增大。在相同的进口流速下，较大的隔板间隙会造成较低的传热系数。在相同的压降下，较大的隔板间隙传热系数较高，在所有的模拟工况下，连续性螺旋隔板换热器具有最高的传热系数。螺旋折流板虽加工安装工艺较为复杂，但相比弓形折流板可大大减少流体的返混和死区现象，将两块折流板呈搭接状态还可减少旁路流。针对螺旋板在不同工质下不同螺旋角、搭接程度以及布置方式还有待更深入的研究。