文 献 综 述

1.课题背景

生物质气化基本原理是利用高温对生物质原料加热，伴随温度的升高，析出挥发物，并在高温下裂解（热解），热解后的气体在气化炉的氧化区与供入的气化物质（空气、氧气、水蒸气等）发生氧化还原反应并燃烧，最终生成了含有一定量的CO、H₂、CH₄的混合气体^[1]。本课题便是基于生物质气化过程中产生的余热设计合理的管壳式管热气制取饱和或过热蒸汽。

列管式换热器（也称管壳式换热器）是在一个圆筒形壳体内设置许多平行的管子（称这些平行管子为管束），让两种流体分别从管内和管外流过进行热量的交换^[2]。随着现代工业的快速发展，对能源的需求剧增，而利用高效换热器可以吸收化工、石油生产过程中存在的大量余热，既节约了能源，又减少了污染。与板式、板翅式换热器相比，列管式换热器（又称管壳式换热器）由于其适用性广、坚固耐用、密封性较好以及其结构简单、清洗方便，是石油、化工等领域应用最普遍的一种换热器。因此，如何最大限度地利用热能和回收热能，强化管壳式换热器成为人们所研究的重点之一^[3]。

2.国内外研究现状

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。世界各国在寻找新能源的同时，也更加注重了节能新途径的研发。强化传热技术的应用不但能节约能源、保护环境，而且能大大节约投资成本。换热器由于其在化工、石油、动力和原子能等工业部门的广泛应用，使得换热器的强化传热技术一直以来受到研究人员的重视，各种研究成果不断涌现。随着经济的发展，各种不同结构和种类的换热器发展很快，新结构、新材料的换热器不断涌现。换热器既可是一种单独的设备，如加热器、冷却器和凝汽器等；也可是某一工艺设备的组成部分，如石化、煤炭工业中的余热回收装置等。

借助于计算机模拟运算的优势，90年代初，杨长威^[4]利用 AUTOCAD2000 的二次开发工具VISUAL LISP对管翅式蒸发器进行了计算与绘图。陈维汉^[5]在应用给定换热器结构材料下，对换热器进行优化设计。赵薇^[6]对列管式换热器进行了模拟计算，使管壳式换热器设计过程大大简化，此类方法甚至可以推广到其他种类的间壁式换热器设计当中。张智等^[7]Uday C． Kapale^[8]等利用有限元软件ANSYS对管壳式换热器建立了仿真建模并进行了数值模拟计算，对换热器管程和壳程的传热系数和压降进行了分析并得出了重要结论，所得结果对于深入认识换热器的传热性能具有重要的指导意义。李彦晴^[9]等以C#程序语言为平台，基于换热器壳程传热性能指标h_o/△p_o^1/3的优化设计开发了管壳式换热器计算软件，并能通过Excel生成计算报表，通过与实验数据与校核数据比较，软件计算准确性高，可以为工程设计及类似软件开发提供借鉴。Selbas等^[10]、Caputo等^[11]、Domanski等^[12]分别采用遗传算法或其改进法对管壳式换热器进行了优化。

国内外大量人员对列管式换热器进行了理论和实验研究，王永红^[13]对列管换热器管程强化做了研究，分别针对螺纹管换热器、横纹管换热器、波纹管换热器、缩放管换热器、管内插入物、三维内肋管换热器、菱形翅片管和花瓣形翘片管换热器等形式的换热器进行了强化传热原理的阐述。同时，针对壳程强化换热，分别对板式支撑结构、折流杆式支撑结构、空心环支撑结构、自支撑结构进行了强化传热原理的阐述。支浩^[14]等对当今换热器的研究做了概述，管壳式换热器又称为列管式换热器，是以封闭在壳体中管束的壁面作为传热面的间壁式换热器，结构一般由壳体、传热管束、管板、折流板（挡板）和管箱等部件组成。

3.关于管壳式换热器的问题

在设计、制造和工程应用的过程中，工程人员会遇到各种复杂的问题，如换热器的振动、泄露腐蚀等。董爱明^[15]对Thorngern 公式进行了动力学修正和讨论，得到更符合实际的防振判据，为工程设计提供了新的参考依据。李乐翔等^[16]对管壳式换热器中流体流动诱发振动做了简要介绍，同时对换热器模拟软件HTRI中有关振动分析评价程序进行了说明，借助此振动分析评价程序解决工程应用实际问题。陈永刚^[17]针对管壳式换热器的腐蚀问题对环境因素、材质因素、操作因素、设备的结构设计及加工制造中的焊接等因素分别进行了研究分析，认为管壳式换热器的腐蚀在设计、制造、使用过程中，尤其在焊接过程中采取的措施是可以预防的，及管壳式换热器的寿命是可以延长的。仲重州^[18]对管壳式换热器的失效做了综合分析，综合利用了化学分析、金相检验和X射线分析法，对换热器失效的主要原因及其失效机理进行了分析比较，并得出换热器的失效大多数是由腐蚀引起的结论，同时提出要根据具体换热器的失效模式采取不同的措施，如采取定期清洗管束、加强冷却水的水质监测和控制、在水中加入缓蚀剂、合理选材等措施延长管壳式换热器的使用寿命。