文 献 综 述

1 课题研究背景

伴随着石化行业的飞速发展，管壳式换热器也愈来愈来呈现出大型化的发展趋势^[1]。目前在大型化工生产的装置中,各种类型换热设备的数量至少占工艺设备数量30%以上，因此，换热器设计对于产品质量、能量利用率和系统的经济性、可靠性有着重要作用^[2]。换热器分类有多种，按照其工作原理可化分为：直接接触式换热器、蓄能式换热器和间壁式换热器三个大类，其中间壁式换热器用量最大，据统计，这类换热器占总用量的99%。间壁式换热器又分为管壳式和板壳式换热器两大类^[3]。其中管壳式换热器因为其可靠性和广泛的适应性，在长期的操作过程中不断积累了丰富的经验，其设计的资料比较齐全，在许多国家和地区都有了系列化标准。但是传统的管壳式换热器也有一定的缺点，比如：壳程流体流动阻力大，壳侧压降^[4-7]大，动力耗损严重；局部换热效果差，导致换热器整体换热率偏低；容易积垢，影响寿命等^[8]。

2 研究现状

2.1 传热系数的影响

使换热器换热速度的提升，最直接的方法就是提高传热系数^[9]，所以在现实中，满足设备传热效果的同时，尽可能提高传热效率，减少内部构造，减少材料损耗是我们的设想^[10]。

由换热器稳态传热方程^[11]可得：在热负荷不变和冷热流体换热最终温度确定的情况下，提高传热系数，换热面积会减小：Q=KA△tm。，增大传热系数K，传热面积A以及平均温度差Δtm，都能提高传热速率Q。所以，在大多的工业设计和生产实践中从这三方面来考虑^[12]。

2.2 管程强化传热

大体来说，管程强化传热技术研究可划分为两个方面，分别是改变换热管设计以及管内插物。前者如改变换热管的形状大小，增大管程流体的湍流程度，传热面积（波纹管，伸缩管，翅片管等）。后者可以管内绕丝等来增加湍流程度。相比较来说，后者更简单，效果更好^[13]。

管内插物的种类很多，没有统一的标准，一般来说，主要包括静态混合器，纽带，螺旋丝，螺旋片等^[14]。

2.3 壳程强化传热

在传统的换热器中，介质一般以液体的形式存在于壳程中，因弓形折流板换热器所占比例大，是强化传热的重点。由于弓形折流板换热器的介质流动阻力和振动明显，所以损失的能量较多。

壳程强化传热的应用包括螺旋折流板，螺旋杆，花隔板等形式，目前，螺旋折流板技术应用广泛，有了很大的发展。与弓形折流板换热器相比，介质的流动方式改变使其壳程压力变小，单位压降下，它的传热系数提高等优点^[15]。

2.4管束强化传热

整体上而言，管束强化传热属于整体传热的范畴，易加工，较容易实现。应用最多的是螺旋扁管和扭曲扁管。

螺旋扁管是近年来兴起的一种技术，使介质在螺旋的结构中螺旋运动，由于离心力的作用，介质的运动呈周期性变化，增强了介质的湍流程度，强化传热过程^[16-19]。

而且壳程介质呈纵向流动，极大的降低了管束震动^[20]。

扭曲扁管出现较早，80年代进入中国后，成为主要的提高传热强化的形式，它的优势在于体积小，节省材料，同时在管壳内形成螺旋流，防止污垢积累。

2.5国内外研究

据相关数据统计，目前我国石油化工行业的换热器投资占总设备投资的35%左右，产业规模高达600亿元。近年来，在换热器市场中，各种板式换热器的竞争力逐步提高，而管壳式换热器依旧以65%的市场占有率名列前茅。源于高效换热器，新型换热器的列管式换热器成为主要研究对象。管程和壳程强化结构的发展长足^[21]。

波纹管换热器^[22]是我国东北某公司在20世纪90年代研制成功，主要由波纹管和接头组成，由于其管壁薄、波峰，波谷高度差大、换热管伸缩幅度自由和可以自由改变流体的方向，速度等优点而在石油化工行业中获得广泛的应用。

螺旋扁管换热器，由瑞典某公司生产的换热元件，与其他换热器不一样，它的流体方向为纵向，因此可以增加介质流体脱离管壁后的紊流，进而有效换热。

杆式支撑结构的发展主要是20世纪70年代根据美国某石油公司设计奠基而成，它是由2个横栏和纵栏组成的若干组折流栏，特点是不仅可以实现传热目的，还能降低壳程压降，比如，我国某大学，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一般换热器的传热系数提高1.5倍，并且其抗振能力提高。

空心环管壳式换热器是中国某大学研究而成，在制作材料上，相对于折流板换热器，能节省钢材50%左右。

综上所述，管壳式换热器的发展总体上主要经过了支承形式的发展过程。由此，我们可以看出，随着强化传热理论的不断发展，换热器的传热综合性能获得了飞速的发展。目前，管壳式换热器主要的发展方向，介质流体的流动方式逐渐从横向流变为纵向流。此外，在改变支承结构，低雷诺数的条件下，尽量提高换热器的性能，将成为管壳式换热器研究的方向^[23]。

3 存在的问题

3.1 污垢问题

换热器的污垢问题一直以来是人们所关注的，它不只影响换热器各方面的数值计算与校核，在实际操作过程中也会给我们带来长足的困扰，它会使换热器性能降低，影响介质的流动，进而影响换热器的换热效率，因为这些污垢千变万化，不能控制和估计，而且针对不同的换热器，影响又不同，没有规律，影响恶劣，至今没有一个合理的方案^[24]。

3.2 反温差问题

换热器的基本原理使通过冷热流体之间的传热来实现的，不可避免会遇到产生温度差的问题，而反温差是在部分冷热流体并流时产生的，这是一个影响换热系数且容易被忽视的一个问题，为了提高换热系数，我们通常会增加流体的流速，除此之外，如何避免，减少反温差的产生也将是我们要攻克的难点^[25]。

4 设计思路

在设计交换器时，若只简单的估算，或者盲目加大传热面积，那么它的安全系数就会造成浪费。只有进行详细的计算，才能在安全和效率方面使换热器得到保障。因为设计中很多因素相互关联，设计过程复杂，因此设计程序因初始参数和任务的不同而不同；比如在传热计算和阻力计算里，又涉及到结构，所以经常要选初选传热系数，得到预估的传热面积，进而进行结构的设计，最后再传热计算，得到所需要的传热系数和传热面积。预估比算出的具有10%到20%的余量时，方为成功。

若阻力计算，强度校核等出现问题，还要修正某些部分，更甚者，重新选型。

一般的设计程序为：

① 根据设计任务书给出的初始资料，选定热交换器的型式。原始资料包括流体的物化性质，流量，压力，温度，压降的限制等。

② 确定定性温度，查找对应的物性参数。

③ 通过热平衡计算热负荷及各流体的流量。

④ 选择壳体和管道的材料。

⑤ 选择流体的运动方式，确定它的流体空间。

⑥ 算出平均温差。

⑦ 初选传热系数，并算出初选传热面积。

⑧ 设计热交换器的结构，比如管径，管程流体的流速；确定每程管数，总官数，管长；管子的排列方式壳体内径，管直径，管间距；折流板数目，尺寸，间距等。

⑨ 阻力计算和管程换热计算。当初选传热系数远远大于预估传热系数，并且在压降范围内，才合格，否则重选K。

⑩ 壳程换热计算。要满足结构要求。

#9322; 校核传热面积和传热系数。要求结构计算获得的传热面积比计算出的余量大10%到20%。

#9323; 校核壁温，要与假定壁温相等。

#9324; 计算壳程阻力，要求小于允许压降。

#9325; 对交换器的各个零件进行强度计算。

#9326; 核算管壳间的拉脱力。

#9327; 绘制正确的图纸，编写材料等。

5 EDR在设计中的应用

本课题除了用传统的换热器设计外，还加入了Aspen Exchange Design amp; Rating 计算软件，主要设计步骤包括：工艺参数，物性参数，计算结果的检查，优化换热器的设计等步骤。

初步设定好基本的流动空间，壳体，封头，换热管，折流板等后，进入到设计模式，然后将单位设置成SI，热流体位置设为管侧，冷热流体均设置为液态等。

输入工艺数据，物性参数，几何参数等，即我们设计的换热器的各个数据。最后运行程序。

该系统会自动帮我们进行设计计算的分析，通过结果来检验我们设计的换热器是否正确。来帮助我们更好的完善。

参考文献：

[1] 赵景玉，黄英，赵石军。大型管壳式换热器的设计与制造[J]．压力容器，2015，32（3）：36～44，75．

[2] 吴彩，张晶．管壳式换热器的设计及注意事项[J]．科学中国人，2015，9(1)：33～37．

[3] 王元文．管壳式换热器的优化设计[J]．广东化工，2005，（3）：43～44．

[4] JIJD，GEPQ，BIWB，et al．Numerical analysis on shell-side flow-induced vibration and heat transfer characteristics of elastic tube bundle in heat exchanger[J]．Applied Thermal Engineering，2016，107：544～551．

[5] WANGYQ，GUX，JINZL，et al．Characteristics of heat transfer for tube banks in crossflow and its relation with that in shell-and-tube heat exchangers[J]．International Journal of Heat and Mass Transfer，2016，93：584～594．

[6] PALE，KUMARI，JOSHIJB，et al．CFD simulations of shell-side flow in a shell-and-tube type heat exchanger with and without baffles[J]．Chemical Engineering Science，2016，143：314～340．

[7] AMBEKAR AS，SIVAKUMAR R，ANANTHARAMANN，et al．CFD simulation study of shell and tube heat exchangers with different baffle segment configurations［J］．Applied Thermal Engineering，2016，108：999～1007．

[8] 张勇，闫媛媛，杨飞．管壳式换热器研究进展[J]．广东化工，2012，39(18)：107～109。

[9] YOUYH，FANAW，LAIXJ，et al．Experimental and numerical investigations of shell-side thermo-hydraulic performances for shell-and-tube heat exchanger with trefoil-hole baffles[J]．Applied Thermal Engineering，2013，50(1)：950～956．

[10] 郑世龙．管壳式换热器的强化传热技术分析[J]．化工管理，2016，10（28）：122．

[11] 陈忠华，杜明俊，马贵阳，戚积功．寒区地下U型埋管换热器及周围土壤非稳态传热数值模拟[J]．当代化工，2014，39（4），442～444．

[12] 郝国永，张莹莹，高磊，于宵航，吴亮．管壳式换热器管束结构优化发展概述[J]．当代化工，2014，12(12)：2571～2575．

[13] 李兆南．管壳式换热器强化传热技术概述[J]．化工管理，2016，(9)：91．

[14] 王红玲，钟永昌．管壳式换热器的研究进展[J]．企业技术开发，2013，32（11）：93～94．

[15]齐洪洋，高磊，张莹莹，周辰琳．管壳式换热器强化传热技术概述［J］．压力容器，2012，29（7）：73～78．

[16] 金晓明，高磊 ，张莹莹等．无折流板扭曲扁管热交换器传热与阻流特性试验研究[J]．石油化工设备，2011，40(1) ：17～20．

[17] 来诚峰，段兹华．新型管壳式换热器的技术研究[J]．化工进展，2006，25（S1）：382～386．

[18] 吴金星，耿志强，刘敏珊，董其伍．纵流式管束支撑物的结构及性能对比[J]．河南化工，2002，19（3）：4～6．

[19] 张杏祥，桑芝富．螺旋扭曲扁管换热器传热与流阻特性研究[D]．南京：南京工业大学，2006．

[20] 张轮亭，邱丽灿，王臣．管壳式换热器强化传热进展[J]．当代化工，2014，43（11），2322～2327．

[21] 刘晓红，徐涛，俞九阳等．管壳式换热器强化传热研究进展[J]．广州航海高等专科学校学报，2005，13（2）：19～21．

[22] 胡津铭．浅谈国内管壳式换热器发展[J]．科技视界，2016（15），61～61．

[23] 陈世醒，张振华，易先中．一种特殊形式的螺旋折流板换热器[J]．辽宁石油化工大学学报，2005，25（1）：161～163．

[24] 林林．管壳式换热器结垢和泄漏的传热特性及预测研究[D]．东北，东北石油大学，2014．

[25] 谢学坚．管壳式换热器的研究发展[J]．科技视界，2014，（1）：91～92．