文 献 综 述

一、研究背景

能源是经济社会发展和提高人民生活水平的重要物质基础，是人类赖以生存的必要条件。20世纪90年代以来，能源供求之问的矛盾不断加大，为保证GDP年均增长8%，面临能源供应保持每年递增4%左右的压力^[1]。现阶段，经济放缓，而环境问题日益突出，而煤炭在中国能源消费结构中占有主导地位，且常年居高不下，所以在此大环境下，节能问题尤为突出。如果能在各个环节，提高能源利用率，不使热量白白流失到大气中去，不仅可大大减少煤、油、燃气等一次能源的消耗，也可减轻对环境的污染。换言之，强化传热, 提高换热效率, 是节约能源的极其重要的措施。

强化传热是20 世纪60 年代发展起来的一种改善传热性能的技术。它的任务是促进和适应高热流量传热,以达到采用经济的设备传输特定的热流量, 或者采用最有效的冷却方式保护高温部件的安全运行。强化传热可减小传热面积, 从而降低换热器的体积和重量, 提高现有换热器的传热能力,使换热器能在较低温差下工作, 能够减小换热器的阻力^[2-4]。近五十年来，人们在不断的尝试各种各样的换热器，尽管目前，管壳使换热器因其完善的理论研究和技术，在石油、化工、制冷、冶金等领域仍处于主要地位，约占70%，但是随着新材料的诞生，新工艺的产生以及实验的深入，在新型高效换热器的开发领域也有了许多进展，目前在发达的工业国家换热设备在炼油厂中约占全部工艺设备投资的35%#8212;40%，其中30%为各类高效紧凑式换热器、新型热管等设备。如今,基于计算机技术的热流分析已经用于自然对流、剥离流、振动流和湍流热传导等的直接模拟仿真, 以及对辐射传热、多相流和稠液流的机理仿真模拟等方面。在此基础上, 在换热器的模型设计和设计开发中, 利用CFD 的分析结果和相对应的模型实验数据, 使用计算机对换热器进行更为精确和细致的分析和改良。

作为一种节能设备, 换热器不仅是保证加工过程正常运转不可缺少的设备, 而且就金属消耗、动力消耗和投资来说, 其在整个工程中所占有比例很大。据统计, 换热器的投资约占全部设备投资的40%。因此, 从节能、节材和节约资金角度来说, 如何选用换热器已不可避免地成为每个工程设计人员面临的问题^[5]。

波纹套管换热器因其换热管采用波纹形式，管内流道截面连续不断地突变，造成流体即使在流速很低的情况下也始终处于高度湍流状态，难以形成层流，使对流传热的主要热阻被有效地克服，管内外传热被同时强化，因而传热系数很高。并且，与一般换热器相比，特别是对一般套管式换热器，由于流道内流体的高度湍流，使流体中的微粒难以沉积结垢，即使有少量污垢生成，使得堵塞不易形成。

二、波纹管

1.波纹管简介

波纹管是一种带横向波纹的圆柱形薄壁弹性壳体, 其生产历史已有一百多年。直到第二次世界大战时期, 才用作仪器、仪表的弹性敏感元件和各类管道的联结元件, 现已广泛用于矿山、石油、化工、冶金、电力、热力、航海、航天等工程设备中, 起密封、吸振、降噪、储能、热补偿和介质隔离作用。波纹管有多种形式, 就波的形状而言, 以U 型波纹管应用最为广泛, 其次还有C 型、型、矩形和S型等。其主要性能是其柔性, 但柔性受到其强度和稳定性的限制。为了保证波纹管的耐压力, 可增加其壁厚, 但柔性随之降低, 达不到补偿位移、吸振降噪的作用;若通过增加波数来增加柔性, 则面临柱失稳问题;若通过增加波高来增加柔性, 则导致应力幅值提高, 强度削弱, 疲劳寿命降低, 还存在平面失稳问题^[6]。

2.波纹管的结构参数

波纹管管壁上依次交替出现的波峰和波谷，导致流道中流体的速度和压力周期性变化，变化过程产生的强烈扰动，破坏流体的边界层，使边界层减薄，使其传热系数明显高于直管，但这种周期性变化和扰动也会使流动阻力明显增大。波纹管主要有5 个结构参数( 图1) : 直线段外径 、弧形段外径、直线段长度 、弧形段长度 和壁厚^[7]。