文 献 综 述

能源是人类活动的物质基础，是经济发展的动力，是决定生活质量的关键因素，在一定程度上来讲，优质能源的出现和先进能源的引用是促进人类社会发展的重要因素。人类在能源利用的历史上有三次重大的转变：1、以煤炭代替木材为主要能源；2、能源结构逐渐转向石油、天然气；3、20世纪70年代后，以可再生能源为基础的持续发展的能源系统被逐步建立起来。煤炭、石油、天然气等化石能源仍是人类目前使用较集中的能源，也影响着世界的政治格局，但其储量日益减少，从2015年《BP世界能源统计年鉴》来看，所有的燃料消费均出现了增长，全球公认在2050年前，石油天然气资源将消耗殆尽，实现能源的可持续发展已迫在眉睫。

换热器又称热交换器，是一种在不同温度的两种或两种以上流体间实现物料之间热量传递的节能设备，是使热量由高温流体传递给低温流体，使流体温度达到流程规定的指标，以满足工艺条件的需要，同时提高能源利用率的主要设备之一。换热器在生产过程中可作为加热器、冷却器、冷凝器、蒸发器和再沸腾器等，在化工、石油、暖通、食品等工业生产中占有重要地位。换热器种类繁多，本文要研究的是半圆形波纹套管换热器。

1.波纹管的介绍

1.1波纹管的发展

波纹管是一种将可折叠皱纹片横向连接成的圆柱形薄壁弹性敏感元件，其主要制造方法有滚压、冲压、和液压成型法^[1]。波纹管发展至今已有一百多年历史，最初被生产用作蒸汽压力测量仪表。20世纪早期，英、美等国开始创办弹性元件专业化生产厂，生产各类波纹管。前苏联在30年代设有专门研究波纹管等弹性元件的科研机构。如今，由于性能稳定、使用可靠，在压力、轴向力、横向力和弯矩作用下能产生很大的位移，波纹管已经突破仪表弹性元件的范畴，用于电力、冶金、石化等各种技术领域，而其作为柔性连接与热补偿构件，在热交换器中的应用也十分广泛，如图1。

图1. 波纹管

1.2波纹管的研究现状

波纹管的柔性受到强度和稳定性的限制，若增加壁厚可以保证波纹管的耐压力，但柔性会降低；若增加波数以提高柔性，则稳定性会受影响；若增加波高，虽然提高了柔性，但削弱了强度，降低了疲劳寿命^[2]。20世纪70年代以后，有限元分析随着计算机技术的发展被越来越多的研究者接受。比如赵连声等用非线性有限元分析了单层U形波纹管的强度，用八节点空间壳单元对波纹管作非线性分析，较好的解决了波纹管的强度、振动、稳定性问题，并进一步对带初始缺陷的稳定性问题进行了研究^[3]。除有限元法之外，人工智能技术也可用于波纹管的研究^[4],此方法可以简单、准确、快速的预测波形膨胀节的使用。过去，许多研究者对波纹管进行了广泛的研究，包括对波纹管表面以及波纹管内部的层流底层，过渡区和湍流区的流动和传热性能的研究。Liu^[5]等人将螺旋波纹管应用在管壳式换热器中，并采用数值模拟的方法研究了工质在螺旋波纹管中的流动特性。Laohalertdecha^[6-7]等人研究了冷凝传热方式以及制冷剂R-134a在螺旋波纹管中的流动特性。Darzi^[8]等人将氧化铝水和纯净水作为工质，分析了波纹管在不同几何条件下的湍流流动性能，其中雷诺数范围为10000到40000之间。目前，波纹管广泛应用于商业设备的单向流中。总体而言，波纹管的研究仍在深化，众多领域的应用仍在发展。

1.3波纹管的传热强化方式

强化传热技术，从60年代逐步兴起，主要集中在两大方面：一是开发新的换热器品种，尽可能的提高换热效率，如板式、板翅式等；二是对传统的管壳式换热器采取强化措施，较常用的有螺纹管、横槽管及波纹管等^[9]。到目前为止，国内有许多理论以及理论与实践相结合的研究^[10-11]。除理论外，实验研究方法因其直观、真实、可靠的特点也颇受欢迎^[12-14]。其中，曾敏^[22]等人的实验研究中，通过调节变频器来改变转速，从而改变通过波纹管内的空气流量，并用PCL-816H压力扫描仪采集压力，降热电偶连接到IMP数采板上采集压力。通过图像分析得出，相比于光管，波纹管的换热更强，阻力系数更大。与此同时，国外对传热强化的实验研究也很多^[15-17]。

波纹管换热器是近年来发展起来的新型高效换热设备，它与传统换热器的主要区别在于用波纹管代替原来的光滑直管^[18]。波纹管换热器能起到温差补偿作用，省掉壳体膨胀节；由于温差应力的作用，换热管能自动去掉表面污垢，具有强化传热和除垢的双重功效。而且，波纹管波纹管换热器具有结构简单紧凑，容易制造，投资少，热率高等优点^[19]。在国外，对波纹形通道的研究较多^[20-22]，均发现波纹形通道比平直通道的换热能力要好。Mohammed^[23] 分析研究了矩形波纹管的粗糙度，发现该波纹管的强化传热效果大约能提升30%左右。在国内，郎逵研究了波纹管强化传热式换热器，发现波纹管能显著提高换热器的综合性能^[24]。

石岩^[25]针对波纹管的强化传热特性，采用理论程序分析结合实验研究的方法提出了浸入式波纹管污水换热器的设计计算方法，并测试了利用该换热器的城市污水回收利用系统的运行参数。实验装置如图1所示。研究发现：①该换热器满足建筑冷热负荷要求，具有良好的实用性和针对性；②相比于铝塑管以及PP-R塑料管污水换热器，浸入式波纹管污水换热器的效果明显较好，试用于污水热能回收利用系统。

2.套管换热器的研究

2.1套管换热器的发展

套管主要用来做机械保护，按材料可分为：绝缘套管和金属套管。套管式换热是将不同直径的两根管子套成的同心套管作为元件，然后把多个元件连接起来的一种换热器，工作时两种流体以纯顺流或纯逆流的方式流动。套管换热器首先在法国制糖工业中试用，后来我国国内某制糖厂也试用了这种热交换器，并取得了较好的结果。19世纪末，套管换热器被用于味精行业以节省加热蒸汽和冷却水的消耗，保证发酵安全^[26]。近年来，被广泛应用于工业生产和民用设备，其优点为：构造简单，耐高压，传热面具可根据需要进行调整，采用逆流有利于传热^[27]。其缺点也较为明显：①不易清洗、检修和拆卸；②制造材料有限，由于内管不允许焊接，很多特殊的耐腐蚀材料无法正常生产；③没有统一的焊接标准，焊接处常出现给雷问题。

2.2套管换热器的研究现状

套管式换热器在冷水机组、热泵机组、制药行业、食品行业等领域都有相当广泛的应用。随着海上石油平台大规模的兴建和船舶行业的发展，船用空调设备越来越受到人们的注意，随之而来的新系列产品也层出不穷，张景卫等^[28]从三个方面简单讨论了套管式换热器在船用冷水机组上的研究方向。

地球上的高温资源分布不均，一些已知的资源一般应用于汽轮机或单（双）次蒸馏装置。目前的研究方向主要集中在120-150℃的中低温，有机二元地热系统通常用于开采这些资源。为了为每台设备选择合适的有机液体，必须正确的分析地下的温度梯度和成分^[29-31]。Fridleifsson等人发现假设平均低温梯度为25℃/km，则地球上只有0.1%的地方温度低于100℃^[32]。从1975年到2013年，全球的地热容量从1300MWe增加到11765MWe^[33-34]。近期，Templeton^[35]将套管换热器应用到地热系统中，并用数值模拟的方法成功探知了太阳能储存的方法。

2.3套管换热器的传热强化方式

各国科学工作者已对传热强化问题做了大量研究工作，强化套管换热器的途径有许多，壳侧传热的强化有改变管子形状或在管外加翅片，如加螺纹管、螺旋槽管、外翅片管等^[36]。张丽^[37]等人通过在套管式换热器上加螺旋片分析了其传热特性，研究发现，翅片不仅可以增大换热面积，还可以使壳侧流体在由内外管及螺旋片所围成的螺旋型通道内流动，从而改变速度场的特性。但增加螺旋片的同时也增大了摩擦阻力系数，根据这一问题，董永申^[38]等采用倾斜螺旋片对套管换热器进行强化传热，模拟结果证明：随螺旋片倾斜角的增大，摩擦阻力系数的减小程度先增大后减小。换热器的优化主要是尽量增加流体间的换热量，但与此同时也会增加设备的成本或能耗，当换热面积一定，只能增加流体流速以达到增加换热量的效果^[39]。

强化气相传热也是一个令人瞩目的问题，主要从两方面着手：①减薄层流边界层或破坏层流边界层阻止其增厚；②扩展传热表面。柯如柏^[40]分别采用螺旋槽管式套管换热器和直肋管式套管换热器比较两种方法强化气相传热的优劣。研究显示，螺旋槽管的传热系数最大，直肋管次之；从管内外阻力降来看，螺旋槽管总阻力降大于直肋管；从计算结果来看，内外直肋管的传热强化虽不及螺旋槽管，但仍比光滑管高。

3.波纹管套管换热器的介绍

3.1波纹套管换热器的发展和研究现状

现在，市场上的套管换热器种类不胜枚举，通常，传统的套管式换热器由标准构件组合而成，安装时不必专门加工，通过控制直管的长度便可调整传热面积，适用高温高压流体，尤其是小流量流体的传热^[41]。

一台优质的换热器应具备以下条件：①尽可能实现热量最大化；②体积小、结构紧凑、重量轻；③价格便宜，性价比高。为达到这些要求，一般来说可分为三种方法进行研究：①采用纳米流体；②粗化换热器表面；③加入流体湍流器。粗化表面可以增加流体混合以及湍流强度来提高套管换热器的热性能。采用波纹管就是粗化表面的一种方式，它分为两种形式：凹波纹管和凸波纹管。将直管改为波纹管可显著提高其总的传热系数，但在波纹管换热管的设计和实际应用中，传热强化和阻力损失间存在矛盾，如何根据换热器的实际结构合理选择波纹管的结构参数，来达到阻力损失和传热之间的平衡是波纹管设计中的难点问题^[42-43]。

3.2波纹管套管换热器的数值模拟

通过实验的方法研究换热器性能是比较传统的方式^[44-45]，但费时费力。随着计算机硬件、计算机流体力学和计算传热学的不断发展，数值模拟已成为传热学研究的一种重要方法^[46]。数值模拟也叫计算机模拟，依靠电子计算机，结合有限元或有限容积的概念，通过数值计算和图像显示的方法达到对工程问题和物理问题乃至自然界各类问题研究的目的。同样的，数值模拟也广泛应用于强化传热管方面，但通常是取换热管的一部分，将其设置为等热流边界条件或等壁温，然后按流动与传热均已充分发展的情况来模拟^[47-49]，这样得出的模拟结果并不精确。

在国内，数值模拟的方法已十分普及^[50-52]，Huai-Zhi Ha^[53]等人采用RSM方法实现了波纹套管换热器的最优化。研究者将波峰间距、波纹高度、起皱半径和雷诺数作为设计参数进行对比研究，波纹结构参数如图2。结果显示，当，，，时达到最大值1.12。

图2. 波纹管结构参数

在国外，A. Hasanpour^[54]等人通过数值模拟的方法研究了V型、U型凹槽的螺旋波纹套管换热器的传热和压降问题。图3为波纹结构参数。研究证明：1、就传热和压降而言，带有螺旋纽带的波纹管套管换热器的努塞尔系数和摩擦阻力系数比普通波纹管大，但穿孔的波纹管的努塞尔系数和摩擦阻力系数相对较小；2、V型凹槽和U型凹槽波纹管的摩擦阻力系数比普通槽型波纹管和无槽型波纹管大；3、对于V型凹槽和U型凹槽波纹管，增加宽度比或减少深度比都有利于摩擦阻力系数的降低。

图3. 波纹管结构参数

4.总结

同国外换热器的发展水平相比, 我国的换热器研究还有较大差距, 这就为相关科研院所、企业提出了开拓新思路, 加强国际交流, 加强基础研究, 学习和引进国外的先进技术和经验。总体而言，波纹管换热器的理论与实践仍在深化，众多领域的应用仍在扩展，不同的功能也有待开发。

研究思路图如下：

图4. 思路图

本课题的研究思路如下：先用HTRI设计一台套管换热器，利用DM建立模型并用Fluent针对管内温度场、速度场和压力场进行求解,比较Fluent模拟结果与HTRI的计算结果；再用Fluent模拟半圆形波纹套管换热器，分析其对传热强化的影响；最后选择性能系数等各方面较好的波纹管，将其应用到套管换热器的设计中。

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换热器又称热交换器，是一种在不同温度的两种或两种以上流体间实现物料之间热量传递的节能设备，是使热量由高温流体传递给低温流体，使流体温度达到流程规定的指标，以满足工艺条件的需要，同时提高能源利用率的主要设备之一。换热器在生产过程中可作为加热器、冷却器、冷凝器、蒸发器和再沸腾器等，在化工、石油、暖通、食品等工业生产中占有重要地位。换热器种类繁多，本文要研究的是半圆形波纹套管换热器。

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