文 献 综 述

1 课题背景与意义

换热器是化工、炼油、动力、食品、轻工、原子能、制药、航空及其他许多工业部门广泛使用的一种通用工艺设备^[1]。管壳式换热器由于结构可靠、技术成熟、适用面广，是目前国内外换热设备的主要结构形式。随着对换热器强化传热技术和现代设计研究方法的长足进步，管壳式换热器不断获得改进和发展^[2]。据统计,在现代化学工业中换热器投资大约占设备总投资的30%,在炼油厂中占全部工艺设备的40%左右,海水淡化工艺装置则几乎全部是由换热器组成的^[3]。近年来随着节能技术的发展，换热器应用领域不断扩大，带来了显著的经济效益，给管壳式换热器增添了新的生命^[4]。管壳式换热器的强化传热主要分为管程强化传热和壳程强化传热两个方面。对国外换热器市场的调查表明,虽然各种板式换热器的竞争力在上升,但管壳式换热器仍占主导地位约64%^[5]。新型换热元件与高效换热器开发研究的结果表明,管壳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^[6]。目前,在换热设备中,管壳式换热器使用量最大。因此对其进行研究就具有很大的意义。为了提高和强化管壳式换热器的传热效率，近年来各国开展了许多研究工作，除了对管壳式换热器的设计方法改进外，还主要对该换热器的传热管件和结构做改动，从而实现强化传热^[7]。

2 管壳式换热器的技术现状

管壳式换热器是在石油化工行业中应用最广泛的换热器。纵然各种板式换热器的竞争力不断上升，管壳式换热器依然在换热器市场中占主导地位。目前各国为提高这类换热器性能进行的研究主要是强化传热，提高对苛刻的工艺条件和各类腐蚀介质适应性材料的开发以及向着高温、高压、大型化方向发展所作的结构改进。强化传热的主要途径有提高传热系数、扩大传热面积和增大传热温差等方式，其中提高传热系数是强化传热的重点，主要是通过强化管程传热和壳程传热两个方面得以实现。目前，管壳式换热器强化传热方法主要有：采用改变传热元件本身的表面形状及表面处理方法，以获得粗糙的表面和扩展表面；用添加内物的方法以增加流体本身的绕流；将传热管表面制成多孔状，使气泡核心的数量大幅度增加，从而提高总传热系数并增加其抗污垢能力；改变管束支撑形式以获得良好的流动分布，充分利用传热面积。为了提高流体的流速，可在管外空间装设与管束平行的纵向隔板或与管束垂直的折流板，使管外流体在壳体内曲折流动多次。因装置纵向隔板而使流体来回流动的次数，称为程数，所以装了纵向隔板，就使热交换器的管外空间成为多程。而当装设折流板时，则不论流体往复交错流动多少次，其管外空间仍以单程对待。由于管内外流体的温度不同，因之换热器的壳体与管束的温度也不同。如果两流体温度相差较大，换热器内将产生很大的热应力，导致管子弯曲、断裂或从管板上拉脱。因此，当管束与壳体温度差超过50℃时，需采取适当补偿措施，以消除或减少热应力。根据所采用的补偿措施，管壳式换热器可以分为以下几种：固定管板式换热器、浮头式换热器、U形管式换热器、双重管式换热器及填料函式换热器。

3 国内外的发展现状

3.1 国内研究现状

换热器是工业生产中最常用的设备,在不同工作条件下对换热器性能要求不同,它是冷热流体间传递热量的设备^[8]。一般国内换热器最为常用的是管壳式换热器,比如:浮头式换热器,固定管板式换热器,U形管式换热器等等^[9]。换热器主要有管板、壳体、换热管、折流板、拉杆、定距管、封头等组成。由于换热器结构比其他压力容器相对简单,所以其运用比较广泛^[10]。换热器在工、农业的各个领域应用十分广泛,在日常生活中传热设备也随处见,是不可缺少的工艺设备之一^[11]。随着研究的深入,工业应用取得了令人瞩目的成果。我国于19%年已将螺旋槽应用于石油化工装置的换热设备。例如上海溶剂厂甲醛蒸汽余热锅炉急冷塔中采用了螺旋槽管,总传热系数提高了60%,相同压降条件下,传热面积减少了30%^[12]。随着工业的发展,陆续出现了不少高效紧凑的管壳式换热器并逐渐趋于完善。这换热器基本上可分为两类:一类是在管壳式换热器的基础上加以改进;另一类则根本上摆脱 圆管而采用多种板状换热表面^[13]。在管壳式换热器基础上改进的板式换热器,有结构紧凑, 材料消耗低,传热系数大等优点,但是不能承受高温高压^[14]。为了实现换热器的传热高效化,其先决条件是提高单位体积的传热面积和提高传热面的传热效率,以提高综合传热数,即强化传热^[15]。主要以下4个方法:改变传热面的形状;在传热面或传热路径内加人扰动促进体;对折流挡板和支撑物加以改进;特殊材料管子的制造^[16]。截面管也是近年来国内外研究开发的强化传热元件, 可分为蛋形管,鼓状管,菱形管。实验证明,此类管件与光圆管相比,具有显著强化传热效果^[17]。纵流壳程的管壳式换热器是国家重点推广的项目，以杆圈式支撑结构代替原壳程挡板结构，使壳程流体由横向流动变为纵向流动，并利用等阻力降原理，科学的研制出变截面整体的导流筒、夹套及流体再分布器，形成国内首创的新结构。该结构有效的提高了传热效率，增加了有效传热面积，降低了流体流动阻力，节能效果显著。提高传热膜系数30%，减少壳阻力降35%，改善了壳侧传热综合性能，耐腐蚀，使用寿命长^[18]。