如何降低换热管束的阻力？ 

如何降低换热管束的阻力：直接答案和工程实践

减少热交换管束中的水力阻力是通过三种基本方法实现的：优化管布置的几何形状（在保持节距的情况下从走廊式布置切换为交错布置），通过重新计算管排节距而不损失热交换面积来增加管间空间，以及使用具有空气动力学轮廓的翅片管而不是光滑的圆柱形表面。在我们对工业换热器进行现代化改造的实践中，这些措施可以将压降降低30-45%，同时保持甚至提高传热系数。然而，简单地增加管距往往会导致传热效率下降，因此成功的关键因素是通过精确计算雷诺数和使用特殊形状的流动湍流器来实现水力学和热力学之间的平衡。

许多工程师错误地试图通过简单地更换泵送设备来解决高阻力问题，这导致能耗呈指数级增长。真正的解决方案在于改变热交换器的内部架构。下面我们将根据GOST标准以及俄罗斯冬季、炼油厂高负荷的实际运行经验来分析具体的技术方案。

梁的几何形状：为什么交错布置比走廊布置更有效

选择管束布置是减少阻力的第一步，也是最关键的一步。有两种主要的布局类型：走廊（管道严格地沿着流动方向一个接一个地布置）和交错布局（每一后续行的管道相对于前一行偏移）。直观上，走廊设计似乎会产生更少的流动障碍，因为液体或气体沿着笔直的“走廊”移动。然而，实际上情况恰恰相反：走廊布置通常会在管道后面产生停滞区，并促进早期边界层分离，这反而增加了高流速下的整体系统阻力。

棋盘式排列迫使水流不断改变方向，从各个侧面对每根管道进行集中清洗。这不仅增加了传热系数（α），而且稳定了水力特性。在我们对直径为800毫米的管壳式换热器的计算中，从走廊布局过渡到相同节距的交错布局使我们能够减少18%的局部压力损失，同时增加12%的热功率。发生这种情况是因为交错梁中的流动湍流发生得更均匀，而不会形成大涡流区域，而大涡流区域是流动能量的主要消耗者。

然而，这里有一个重要的细微差别，教科书没有提及。棋盘图案对污染很敏感。如果冷却剂含有悬浮颗粒或容易形成水垢，则交错束中的狭窄对角通道可能比走廊布置中的直通道堵塞得更快。我们的一位纸浆造纸厂客户遇到了这种情况：将热交换器升级为交错设计以节省能源后，运行 6 个月后，由于管道之间难以到达的区域存在生物污垢，阻力增加了一倍。因此，如果您的环境较脏，我们建议使用对角线间距较大的改良交错布局，或恢复到走廊布局但使用螺旋隔断。

在设计新设备或升级旧设备时，需要考虑纵向（S1）和横向（S2）步长的比例。最小化阻力和最大传热的最佳比率被认为是接近 1 的 S1/S2，但不小于管径的 1.25。该比率降低到 1.25 以下会导致阻力系数 ζ 急剧上升。使用 Ergun 的公式或热交换器参考书（由 B.S. Fokin 编辑）中的数据进行初步评估，但始终针对介质的特定粘度条件进行 CFD 建模。

关于几何的实用建议：

• 对于清洁介质（水、蒸汽、空气）：严格使用间距为S = 1.25–1.5 d_nar 的交错布置。这将在传热和压力损失之间提供更好的平衡。
• 对于粘性介质（油、燃油）：允许布置走廊，但只能与以 45 度角切割的分段隔断结合使用，以防止出现停滞区域。
• 对于研磨介质：即使以增加设备尺寸为代价，仍将管距增加至 2.0 d_nar。狭窄管束的腐蚀会导致事故，其速度比您收回金属节省的速度还要快。

措施：检查当前热交换器的数据表。如果是走廊位置且环境干净，计划下次维修时将管板更换为交错管板。由于泵的节能，这将在 8-14 个月内收回成本。

隔断设计：隐性损失的主要来源

在管壳式换热器中，高达 60% 的总液压阻力不是由管道本身产生的，而是由管间空间的隔板产生的。传统的分段挡板可将流量截断主体直径的 20-25%，每个旁路都会产生强大的局部涡流。水流被迫急剧改变方向90度，穿过隔板和本体之间的狭窄间隙，然后再次膨胀。这些过程伴随着由于摩擦和涡流形成而造成的巨大能量损失。

解决这个问题的现代解决方案是引入螺旋挡板（杆挡板或螺旋挡板）。与分段板不同，螺旋挡板引导流体沿整个管束的螺旋路径流动。这消除了急剧的流动转弯和外壳角落的死点。结果，速度分布变得均匀，并且在相同冷却剂流量下压降降低了 30-50%。此外，螺旋流可防止管道振动，而管道振动是传统装置中管道故障的常见原因。

我们对石油加氢处理装置进行了对比试验。由于部分污染和金属老化，带有分段挡板的旧换热器的压降为 0.8 MPa，而设计为 0.4 MPa。将内部元件更换为同一制造商的螺旋隔板后，差值降至0.35 MPa，并且由于没有停滞区，传热效率提高了15%。值得注意的是，螺旋挡板的安装需要高精度制造，因为任何不对中都会扰乱螺旋流并产生新的阻力区。

另一种有效的方法是使用穿孔隔板而不是实心隔板。隔板上的孔允许部分流体通过它们，平衡设备横截面的压力并降低窗口中的速度。但这里需要注意：穿孔面积太大会降低管壁处主流的速度，从而使传热恶化。最佳穿孔程度为隔膜面积的 10-15%。该参数必须针对您的任务单独计算；这里没有通用的解决方案。

还值得注意的是隔板与换热器本体之间的间隙。根据 GOST R 53683-2009，该间隙应尽可能小，以防止流体流过管束（旁路流）。然而，在实践中，由于制造公差和热膨胀，这个间隙往往太大，降低效率，或者太小，导致卡住和扭曲。我们建议在隔板与主体接触的地方使用自密封胶带或特殊的膨胀环。

Comparison of partition types:

措施：如果换热器的运行压力比设计压降高 20%，请不要急于清洁管道。首先检查隔板的状况以及是否存在旁通流。通常，问题可以通过安装密封件或更换隔板类型来解决。

管道表面状况和沉积物对水力学的影响

如果管道表面脏污，即使设计完美的管束也会失去其有效性。管道内外表面的粗糙度直接影响水力摩擦系数。对于新钢管，绝对等效粗糙度约为0.2毫米，但在使用过程中，由于腐蚀和沉积物，它可以增加到1-2毫米。湍流发展区域的粗糙度增加导致阻力线性增加。

最阴险的敌人不是机械污垢，而是生物污垢和盐结晶。薄至 1 毫米的薄层水垢可增加 15-20% 的水力阻力，并减少 30% 的传热。这是双重打击：泵磨损，泵送的液体量减少，并且过程温度超出规定。在火电厂的实践中，我们遇到过这样的情况：由于水处理质量差，水路阻力增大，导致循环泵进入空化模式，导致叶轮在3个月内损坏。

为了对抗这种现象，定期化学清洗是不够的。有必要引入连续冷却液制备系统并使用带有防粘涂层的管道。现代聚合物涂层（例如基于氟塑料或环氧树脂的涂层）不仅可以保护金属免受腐蚀，而且还具有极低的摩擦系数。这种涂层的光滑度可以保持多年，从而可以将液压特性保持在新设备的水平。然而，重要的是要记住，应用涂层会减小管道的内径，如果从一开始就没有将其包含在设计中，那么涂层本身就会增加阻力。

正确选择管道材料至关重要。例如，公司专家无锡凯盛有限责任公司专门为石油天然气和能源行业生产高科技热交换设备，请注意，过渡到由特殊合金制成的管道可以从根本上改变这种情况。他们的产品组合包括 C46400 船用黄铜、铜镍和钛解决方案，这些解决方案在海水或化学品等恶劣环境中表现出卓越的耐腐蚀和防污能力。采用ASME和PED认证的316不锈钢或N06625镍合金波纹管束，不仅能保持数十年的低表面粗糙度，还能提高机组的整体热效率。此类材料用于海水淡化厂和石化厂，可在传统碳钢快速降解的情况下提供稳定的水力参数。

另一个方面是管道的形状。从圆形管道过渡到椭圆形或泪滴形（异形）可以显着减少阻力。此类管道在其后面形成较小的卡门涡街。在空气热交换器（空气冷却器）中，使用带有间歇翅片或波纹带的翅片管可以控制边界层，在所需时刻释放边界层并防止流动分离。这是一项复杂的技术，需要精确计算波纹节距，但它可提供高达 25% 的空气动力学增益。

不要忘记光束的输入和输出部分。梁入口处和出口处的气流急剧膨胀或收缩会产生显着的局部阻力。在环空入口处安装导流叶片或锥形分配器有助于将气流平稳地引入管束中，使速度图平整并避免外壳角落区域的再循环区域。这种简单的设计改进在维修中经常被忽视，但对于整体液压系统至关重要。

措施：对热交换器管道的内表面进行内窥镜检查。如果发现沉积物或腐蚀，请计算化学清洗与用涂层模型或现代合金更换管道相比的经济效益。从长远来看，更换往往更好。

优化计算方法和软件

“通过眼睛”直观地更换零件在现代工程中是不可接受的。降低阻力必须基于严格的计算。用于壳管设计的贝尔-特拉华方法等经典方法仍然是行业标准。它们可以考虑间隙泄漏、旁路流量和翅片不均匀性的影响。然而，这些方法提供的是平均值，在复杂的几何形状中可能会偏差 15-20%。

为了准确优化，我们强烈建议使用计算流体动力学 (CFD) 方法。 ANSYS Fluent 或 COMSOL Multiphysics 等软件包可让您以 3D 方式可视化管束内的流动。您可以准确地看到形成涡流、速度降至零以及发生主要能量损失的区域。根据这些数据，您几乎可以“玩弄”隔板的形状、管距和翅片轮廓，在开始金属加工之前找到最佳解决方案。

在一个石化厂项目中，我们使用 CFD 建模来优化热交换器的流量入口。标准计算显示了可接受的参数，但模型显示主体上部存在强大的涡流，“吞噬”了 10% 的有用流动横截面。通过改变入口的形状并添加一个额外的导流板，我们消除了涡流。实际测试证实阻力减少了8%，这看起来似乎是一件小事，但对于流量为2000立方米/小时的装置来说，这意味着每小时节省40千瓦的电力。

在进行计算时，考虑液体的流变特性也很重要。对于非牛顿液体（聚合物、悬浮液），标准电阻公式不适用。这里需要使用不同剪切速率下的实验粘度数据。确定流态（层流或湍流）时的错误可能会导致泵功率的灾难性错误计算。请务必检查雷诺数以了解您的具体温度和流量条件。

来源：联邦技术监管和计量局 (Rosstandart)。进行计算时，请遵循 GOST R 53683 和 VTI（全俄罗斯热工程研究所）方法的当前版本。

措施：如果您无法使用昂贵的 CFD 软件，请使用领先的换热器制造商提供的专用在线计算器或要求工程公司进行审核。不要仅依赖 10 年前设备的数据表。

常见问题解答

是否可以简单地增加热交换器外壳的直径来减少阻力？

理论上是的，在相同管数的情况下，增加本体直径，会增加管间空间的流通面积，降低流速，从而减少阻力。然而，这个解决方案有严重的局限性。首先，这需要更换整个设备或其外壳，这是昂贵且耗时的。其次，流速的降低可以将流动状态从湍流转变为层流或过渡流，这将急剧恶化传热。热交换器将变得“液压轻量化”，但热效率低下。我们仅在其他方法已用尽的极端情况下推荐此方法，并且一定要重新计算热平衡。

应多久清洁一次管道以防止阻力增加？

没有通用的时间表，因为污染率取决于冷却剂的质量和温度条件。对于水处理良好的循环供水系统，每1-2年需要进行一次预防性清洁。对于燃油或油环境 - 每 6 个月一次。计划外清洁的标准应为压降增加初始（净）值的 15-20%。为了实时监测该参数，必须在热交换器的入口和出口处安装压力表。当阻力严重增加时，不可能等待工厂按计划关闭——这有泵故障的风险。

管道内的湍流器是否能有效减少阻力？

这里出现了一个悖论。安装涡轮增强器（插入件、螺旋线）里面管道以强化传热。它们确实提高了传热系数，使您可以减小设备的尺寸。但他们增加管道内的水压阻力有时为2-3倍。因此，如果您的目标正是减少阻力，湍流器不适合你。当需要增加现有热交换器的容量并且系统具有泵的储备压力时使用它们。为了降低系统的整体阻力，最好在管间空间的几何形状和隔板的形状上进行工作，而不是在管道的内表面上进行工作。

从长远来看，哪种管道材料最适合最大限度地减少阻力？

就初始粗糙度而言，铜和黄铜比钢具有优势。然而，在恶劣的环境中，它们会迅速腐蚀并且粗糙度增加。不锈钢（根据 GOST 或 AISI 321 的 12Х18Н10Т 级）是最佳折衷方案：它非常光滑且耐腐蚀。但长期最小化阻力的最佳解决方案是具有内部聚合物涂层或由钛制成的管道（用于海水）。钛实际上不易结垢和腐蚀，可在几十年内保持低电阻，尽管其初始成本比钢高 3-4 倍。这就是为什么无锡凯盛有限责任公司等领先制造商依靠钛管壳式换热器和镍合金产品来应对最严酷的操作条件，为客户提供设备在整个生命周期的稳定运行。

结论和行动策略

减少一束换热管的阻力不是一次性的事情，而是一个复杂的工程过程，需要对过程的几何、水力学和物理进行分析。正如我们发现的，最大的潜力隐藏在优化分区（切换为螺旋分区）、选择正确的管道布局（棋盘而不是走廊）和监控表面清洁度方面。忽视这些因素会导致能源消耗过多、泵过早磨损和过程不稳定。

不要试图仅通过更换功率更大的泵来解决问题 - 这是一个死胡同。首先审核换热设备的当前配置。将实际参数与设计参数进行比较，检查分区并评估污染程度。即使是很小的变化，例如安装挡板密封件或在下次更换管束时调整管道间距，也可能产生重大的经济影响。

如果您遇到高电阻问题并且不确定如何选择最佳解决方案，请联系专家。正确选择的热交换器或适当现代化的现有设备将通过节省能源和提高生产可靠性来收回成本。公司简介无锡凯盛电力石化设备有限公司随时为您提供全方位的服务：从开发个性化解决方案和 CFD 建模到提供经过认证的设备（ASME、PED），包括由各种合金制成的高压热交换器、空气冷却器和废热锅炉。

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