毕业论文课题相关文献综述

文 献 综 述

一、课题背景

随着现代工业的迅速发展，以能源为中心的环境、生态等问题日益加剧，如今世界上因燃煤、石油、天然气资源储量有限而面临着能源短缺的局面^[1,2]。因此，在这个能源短缺的世界，其依赖于在2007年使用约495亿Btu并预计至2035迟早增加到739亿Btu的一次能源化石燃料。对于不同类型燃料需求的这一增长如图1所示，美国能源综合分析信息管理办公室和美国能源部预测(2010)。随着能源成本的增加以及全球变暖及其对人类生活的影响，对传热过程和设备有更深入的了解对于我们提供能源问题的解决

核

0

50

100

150

200

1990 2000 20072015 2025 2035

天然气

可再生能源

煤炭

液体

250

预测

历史

图1 不同燃料类型全球能源的使用^[3]

方案是很重要的。在我们日常生活应用中涉及的传热过程有喝咖啡或茶，烹饪食物，使用电脑，驾驶汽车，或暖通空调系统等等。因此，产生了更好的，更有效的，更紧凑的换热器以不同的方式受益于这些能量转移或保护系统^[3]。而换热器(heat exchanger)，同时作为石油化工等能源行业中广泛应用的单元设备，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。虽然近些来，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^[4]。

二、列管式换热器

管壳式换热器如图2，又称为列管式换热器。管壳式换热器应用于电厂，燃气轮机，建立的和已知的核过程的应用以及蒸汽厂等，它们是油冷却器，冷凝器，蒸汽发生器和预热器。除此之外，管壳式换热器还在制冷和空调系统中也普遍存在^[5]，同时也是化学加工工业(CPI)中最重要和最常用的工艺项目之一^[6]。目前，管壳式换热器占据着全球换热器市场37%左右的份额^[7]，在日本这一份额已达70%^[8]，在石化工业中它更是占据了高于65%的市场份额^[9]。

管壳式换热器在以上的行业中对能源的利用和节约资源起着重要的作用，而它的节能是与其性能有着密切相关的联系。因此，管壳式换热器性能的优劣对于上述高能耗行业的节能和经济效益具有重要的影响，所以多年以来人们一直致力于管壳式换热器的研究。与此同时，随着世界各国对节能环保要求的不断提高和能源的日益短缺，都促使人们对换热器的性能提出了更高的要求。作为重要的能量交换设备的管壳式换热器，它的性能优劣无疑对于能源的有效利用和环境保护具有重要的作用^[10]。

图2 1-2型管壳热交换器

1-管束；2-管板；3-壳体；4-管箱；5-接管；6-分程隔板；7-折流板

三、列管式换热器的类型

列管式热交换器按其结构的不同一般可分为固定管板式、U形管式、浮头式和填料函式四种类型^[2]。

3.1 固定管板式换热器

固定管板式换热器如图3所示。固定管板式换热器的两端和壳体连为一体，管子则固定于管板上，结构简单；在相同的壳体直径内，排管最多，比较紧凑；由于这种结构是壳侧清洗困难。所以壳程宜采用不易结垢、较易清洁的流体。当管束和壳体之间的温差太大而产生不同的热膨胀时，常会使管子与管板的接口脱开，从而发生介质的侧漏。为此常在外壳上焊一膨胀节，但它仅能减小而不能完全消除由于温差而产生的热应力，且在多程换热器中，这种方法不能照顾到管子的移动。由此可见，这种换热器比较适合用于温差不大或温差较大但壳程压力不高的场合。

加热管

缓冲挡板 拉杆 弓形折流板拉杆带法兰管板

图3 固定管板式换热器

防冲板折流挡板 浮头管板钩圈

支耳

图4 浮头式换热器

3.2 浮头式换热器

浮头式换热器针对固定管板式换热器的缺陷作了结构上的改进。两端管板只有一端与壳体完全固定，另一端则可相对于壳体作某些移动，该端称为浮头，如图4所示。此类换热器的管束膨胀不受壳体的约束，所以壳体与管束之间不会由于膨胀量的不同而产生热应力。而且在清洗和检修时，仅需将管束将壳体中抽离即可，所以适用于管壳壁间温差较大，或易于腐蚀和易于结垢的场合。但该类换热器结构复杂、笨重，造价约比固定管板式高20%，材料消耗量大，而且由于浮头的端盖在操作中无法检查，所以在制造和安装时要特别注意其密封，以免发生内漏，管束和壳体的间隙较大，在设计时要避免短路。至于壳程的压力也受滑动接触面的密封限制。

3.3 U形管式换热器

U形管式换热器仅有一个管板，管子两端均固定于同一管板上，如图5所示。这类换热器的特点是：管束可以自由伸缩，不会因管壳之间的温差而产生热应力，热补偿性能好；管称为双管程，流程较长，流速较高，传热性能较好；承压能力强；管束可从壳体内抽出，便于检修和清洗，且结构简单，造价便宜。但管内清洗不便，管束中间的管子难以更换，又因最内层管子弯曲半径不能太小，在管板中心部分布管不紧凑，所以管字数不能太多，且管束中心部分存在间隙，使壳程流体易于短路而影响壳程换热^[11]。此外，为了弥补弯管后管壁的减薄，直管部分必须用管壁较厚的管子。这就影响了它的使用场合，仅宜用于管壳壁温相差较大。或壳程介质易结垢而管程介质不易结垢，高温、高压、腐蚀性强的情形。

U形管

图5 U形管式换热器

填料

图6 填料函式换热器

3.4 填料函式换热器

此类换热器的管板也仅有一端与壳体固定，另一端采用填料函密封，如图6所示。它的管束也可自由膨胀，所以管壳之间不会产生热应力，且管程和壳程都能清洗，结垢较浮头式简单，造价较低，加工制造方便，材料消耗较少。由于填料密封处易于泄露，故壳程压力不能过高，也不宜用于易挥发、易燃、易爆、有毒的场合。

四、列管式换热器研究进展

列管式换热器是当今应用最广泛的换热设备，它具有高的可靠性和简单易用性。特别是在较高参数的工况条件下，管壳式更显示了其独有的长处。目前在提高该类换热器性能所开展的研究主要是强化传热，适应高参数和各类有腐蚀介质的耐腐材料以及为大型化的发展所作的结构改进。

换热器的强化传热就是采用一定的措施增大换热设备的传热速率，力图用较少的传热面积或体积的设备来完成传热任务。各种强化型换热器在石油、化工、制冷、航空、车辆、动力机械等工业部门已得到广泛应用。强化传热已被学术界称为第二代传热技术。换热器的强化途径主要有：提高传热系数，扩大传热面积，增大传热温差等^[12]。其中提高传热系数是当今强化传热的重点。传热系数的大小主要取决于换热器中两种流体的对流传热系数、污垢层的热阻和换热管管壁的热阻等。一般情况下热管管壁的热阻比较小，可以忽略不计，而主要通过在管内装入各种强化添加物(扰动促进体或内插物)，设置挡板，增强湍流强度和延缓污垢层的形成等措施，达到提高传热系数的目的。在实际的操作过程中可以通过强化管程传热和强化壳程传热两个方面强化换热器的传热。

4.1 列管式换热器管程结构发展

管程强化传热技术可归结为两个方面：改变传热面的形状^[13]和在传热面上或传热流路径内加入扰动促进体或内插物。

4.1.1 改变传热面形状

其强化传热机理为：通过对管子进行各种细微的加工，以期在管子壁面上形成有规律或无规律分布的凸起物，或将管壁本身沿轴向制成波纹状或螺旋凹肋等，这些传热面上的各种形状的凸起物既是无源扰动的促进体，又起断续阻断边界层发展的作用^[13]。这些强化传热管主要有螺旋槽纹管、波纹管、横纹管、V型纵槽水平螺旋管、变形翅片管、三维内肋管、针翅管、旋流管、缩放管等。

(1)螺旋槽纹管

螺旋槽纹管是一种外壁上形成凹槽，内壁上形成凸起的异型管。其强化传热机理主要表现在两个方面：意识管内流体在流动时，内表面的凸起使得过渡区所谓层流在凸起的位置产生纵向漩涡，即局部二次流，增加流体的湍动特性；二是流体沿管壁轴向流动时，由于螺旋槽的作用，管内流体流动存在很大的形体阻力，产生逆向的压力梯度，使边界层分离，热阻减小。德国Hde的螺旋槽管，管内传热效率明显的优于光管，当200Re1500时，提高传热效率2.0~22倍^[14]。我国华南理工专家将螺旋槽纹管用于甲醛余热锅炉中，节约了材料消耗及电耗；用于压缩机排气冷却，使传热强化了3倍^[15]。

图7 螺旋槽纹管^[13]

(2)波纹管换热器

波纹管换热管由沈阳市广厦热力设备公司于20世纪90年代初研制成功，由波纹管和接头两部分组成，结构如图8所示。其管壁很薄(0.5~1mm)，波峰波谷高度差达10 mm，换热管可自由伸缩，流体在复杂截面内不断改变方向和流速，促使紊流增加，边界层减薄和增强相变换热等，从而增大传热系数K。在水水换热器中，K可达2000~3600W(m²℃)^-1，在汽水换热器中K可达3000~4500W(m²℃)^-1，对于其它介质其传热效率可提高2~4倍，减少换热面积40%以上^[13]。这种高效换热器还具有不易结垢、单位容积传热面积大、耐腐蚀性强、温差应力小等优点。然而，由于波纹管是由薄壁光滑管加工而成。成型后其应力状态复杂化，管束的强度和刚度都与光滑管有很大差别，致使管束和管板的应力分析困难。为解决这些问题从而使其能更广泛地应用于石油、化工等工业领域，对波纹管换热器进行强度研究，建立相应的设计标准是非常必要的。因此制定波纹管换热器强度设计标准，于2002年被纳入国家锅炉压力容器标准化技术委员会项目，由沈阳化工学院和沈阳市特种设备检测研究院等单位负责起草，将波纹管换热器设计方法列为国家标准GBl51《管壳式换热器》的附录，并于2004年以名为奥式体不锈钢波纹管换热器设计标准案例正式颁布。

(3)横纹管

横纹管是20世纪70年代中期出现的一种高效换热器元件，它是以普通光管为毛坯，经简单滚压在管外壁形成与轴线成直角的环状槽纹。横纹槽管换热器流体经过圆环形的凹槽时，管壁上形成轴向旋涡，增加了流体边界层的扰动，使边界层分离，有利于使热量通过边界层进行传递。当漩涡将要消失时，流体又经过下一个圆环形凹槽，所以能保持不断地生成轴向旋涡，这就保证了连续稳定的强化作用^[16]。据报道，华南理工大学在研究了一种横纹管折流杆换热器，这种设备将横纹槽管强化传热技术和折流杆换热器技术结合起来，同时提高了管程换热和壳程换热效率，并发现在相同管内流速下其传热效率要优于螺旋槽管，并将这种设备在云南某厂投入使用，取代了原来的列管式折流板主热交换器，使设备投资减少了原来的1/3。

F

F1

接头

2f

管波纹

图8 波纹管换热管

4.1.2 加入扰动促进体

在单相流的情况下，在管内加入扰动促进体或管内插入体，通过搅乱流动可以达到强化传热的目的。扰动促进体，设置在传热面附近， 它可以有多种形状或型式，常用的如图9所示^[17]。

流动方向

三角形

流动方向

圆板

流动方向

C：管外侧

B：管内侧

B：管内侧

螺旋板

流动方向 圆柱

流动方向

流动方向

A:管外侧

流动方向

图9 各种类型的扰动促进体

扰动促进体的作用是对器壁产生较高的流体剪切应力，降低管内流体由层流向湍流过渡的临界雷诺数，从而提供较陡的速度梯度和更高的传热系数，管内插件对强化气体， 低雷诺数流体或高粘度流体的传热会起到好的效果^[18]。加人扰动促进体，势必增大了摩擦阻力，导致了压强的增大。所以现在正朝着优化的方向发展，一种成功的扰动促进体应在提高传热系数的同时，不以增大压强为代价。华南理工大学和中国石化北京设计院合作研制了交叉锯齿形扰动促进体。可直接形成流体的混合。在U形管中插人单，双螺旋状和螺旋线以强化沸腾传热，实验证明这几种扰动促进体均可消除壁温飞升现象，其中单螺旋片的压降较低^[19]。

国外在这方面的研很多，英国GatGavin公司研制出了一种叫Heatex的扰动促进体，这种扰动促进体由一组延伸至管壁的圆芯体组成，它可使管侧传热效率提高2~15倍。该公司还开发了一种叫Hitran的丝网扰动促进体，用于液工况时，可使管壳式换热器管子传热效率提高25倍，用于气体工况，可使相应值提高5倍^[20]。同时，与正常流速相比， 这种促进体使换热管的防垢能力提高8~10 倍。国内在此方面也有所尝试。江苏省漂阳市化工设备公司和清华大学利用多孔介质弥散效应强化管内换热的新技术，联合开发了高效强化换热器。它采用的强化元件是一种金属丝制元件烧制而成，相当于空隙率ε95%的多孔体。当流体流经时，流道内产生弥散流动效应，使流体变为湍流，从而强化了传热。实验结果表明采用这种高效的绕花丝多孔型强化换热器的总传热系数是普通光管的1.5~4倍^[19]。上海石化总厂乙烯厂减压蒸馏装置换热器采用国产交叉锯齿形带扰动促进体，在压强不增加的前提下，总传热系数较光管提高了50%^[18]。

4.2 壳程强化结构的发展

壳程的传热强化研究包括管型与管间支撑物的研究。根据不同的管束支承结构可分为板式支承、杆式支承、空心环支承、管子自支承等几种形式。传热管外表面形状的改变主要是在其外表面上加工出沟槽和翅片^[13]。外表面有沟槽的传热管主要包括螺旋槽管、横纹管、波纹管等，本文前面已述，不再重复。

1. 板式支承结构

传统的管壳式换热器采用单弓形折流板支承，由于壳程流体在转折和进出口两端涡流的滞留区易产生传热死区，传热面积无法得到充分利用，并且当流体横向流过管束时，流体在管子后方形成的卡门旋涡产生周期性交变力，使管子发生流体诱导振动^[21]。为了使折流板的性能得到改进，人们又提出了多弓形折流板、整圆形折流板、异形孑L折流板、网状板，偏心孔折流板。这些新型折流板支承结构的出现主要是为了使流体由横向流动变为纵向流动，从而尽可能消除死区，使得传热综合性能得到提高，也使得管束的抗振性能得到增强^[22]。

2. 杆式支承结构

杆式支承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，作为杆式支承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左右，并且其抗振能力非常的好。

3. 空心环支承结构

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10为空心环支承结构图。

空心环 换热管 空心环

图10 空心环支承结构

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^[4]。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。

五、换热器的主要优化设计方法

优化是科学研究、工程技术和经济管理等领域的重要研究工具。它所研究的问题是基于一优化目标在众多的可行解或可行方案中寻找符合特定评价标的最优方案。根据要研究的目标函数的个数，我们把优化分为两类：单目标优化和多目标优化^[10]。如果仅考虑一个目标函数，就称为单目标优化问题。如果考虑的目标函数超过一个并需要同等对待，那么寻找满足这些目标的最佳设计方案，就成为多目标优化问题。

MarcelTaal^[23]对较多的常见换热器初始投资成本的估算方法进行了总结；Antonio C. Caputo^[24]以总成本最小为目标函数、采用遗传算法对管壳式换热器进行了优化设计；Resat Selbas^[25]以换热管外径、换热管布置方式、壳体直径、折流板间距、管程数和折流板缺口高度等6个量为设计变量，以换热器总成本最小为目标函数，在热负荷给定的条件下对换热器进行优化设计；Philippe Wildi-Tremblay^[26]则是利用遗传算法选取了11个设计变量，以换热器总成本最小为目标函数对换热器进行优化设计，其中壳侧的传热系数、压降等的计算采用了Bell-Delaware法^[8]；Akbarnia^[27]提出了估算换热器管道成本的关系式，吴恩^[28]提出了总投资费用法、年计算费用法、运行成本费用法、费用现值与费用年值法等4种方法对多种换热器投资方案进行分析以及提高换热器的传热性能的最小嫡产方法。

六、结语

列管式换热器是在一个圆筒形壳体内设置许多平行空间的管子(称这些平行空间的管子为管束)，让两种流体分别从管内空间(或称管程)和管外空间(或称壳程)流过进行热量的交换。目前，虽然各种板式换热器的竞争力逐步提升，但是列管式换热器依然在换热器市场占有半壁江山，并且新型换热元件与高效换热器开发研究的结果表明，列管式换热器已进入一个新的研究时期，无论是换热器传热管件，还是壳程的折流结构都比传统的管壳式换热器有了较大的改变。其流体力学性能、换热效率、抗振与防垢效果从理论研究到结构设计等方面也均有了新的进步。各国为改善该换热器的传热性能开展了大量的研究，主要包括管程结构和壳程结构强化传热的发展这两个方面。在强化传热的同时也要兼顾换热器的经济性，而换热器的优化则可以帮助我们找到换热器设计的最优方案。

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