文 献 综 述

1．前言

已经发展了近百年的换热器，在很多国家经济上（如食品、石油、动力等）得到广泛的使用和研究。上世纪八十年代后，得益于传热理论研究、制造技术和材料科学技术的不断进步与完善，换热器的节能设计和应用越来越被关注，特别是近年来，能源与材料费用的不断增长，极大地推动了对高效节能换热器的研究，地下工程空间有限，高效率的换热器能节约地下工程的使用空间和能源。目前，节能减排已成为我国”十二五”期间重要战略的举措，高效节能换热器的研究也成为当今地下换热领域研究的热点。

换热器作为一种传热设备,被广泛地应用于炼油、石油化工、轻工、制药及城市的集中供暖等领域,是工业生产中不可缺少的设备。近年来,越来越多的学者致力于高效换热器的研究和开发工作,其中传热强化是该领域研究的重点。

波纹管换热器是一种新型强化管壳式换热器,具有传热性能好,防垢能力强且有自我补偿能力等优点。研究发现,由于波纹管具有较大的变形补偿能力,波纹套管的轴向应力与同直径的这关套管换热器差不多,说明波纹套管换热器的温差载荷承载能力，要比直管套管换热器好。

2.换热器的国内研究现状

换热设备是按照其性能命名：如冷凝器、蒸发器、过热器等，按换热部件的特点：管壳式换热器、翅片管式换热器、板式换热器。对于各种类型换热器的强化换热技术的研究，目前主要集中在对换热器内流体流态变化，以及对各部件的参数优化研究两方面，而对换热器部件参数的主要研究对象就是换热管（板）排列方式（顺排或叉排）、换热管（板）排数、换热管（板）间距大小、肋片布置间距、肋片形状等。通常的研究方法包括：实验方法研究、数值模拟计算、理论研究三类。

用分布参数法对波纹型多通道单流程板式蒸发器在小换热温差时的换热性能进行模拟分析；在以压降为约束条件下，董玉军^[7]采用分布参数法对湿工况下冷却空气型干式蒸发器盘管进行了数值模拟以达到盘管换热性能最优化换热效果。席战利^[8]用分布参数法对管翅式蒸发器建立了数学模型，并对公开文献已有的换热系数和摩擦压降的关联式进行了总结。李永鹏等^[9]和宣宇清^[10]采取分布参数法分别对船舶冷库蒸发器和房间空调蒸发器建立各自的稳态数学模型，并使用 MATLAB语言编程计算。程金强等^[11]建立管翅式换热器传热过程的物理模型利用计算流体力学(CFD)软件进行模拟，随后建立试验台对模型进行验证。

2.1 设计参数对换热器性能影响的模拟

在换热器的设计中，换热管排数和布置方式、换热管形状、肋片外型以及间距等对换热器性能的影响不可忽视。黄兴华^[12，13]运用计算机模拟了不同管型、不同流程布置对满液式蒸发器性能的影响。邓敏锋^[14]对多元平行流蒸发器建立数学仿真模型，对影响蒸发器性能的各参数进行了研究。邓斌^{[15，16，17]}采用湿球温度效率法对蒸发器进行了模拟，并分析了流程布置形式对换热器性能的影响。周俊杰^[18]应用SIMPLE 算法对开缝肋片表面的传热及流动阻力特性进行了数值模拟；金巍巍^[19]对在开缝翅片管翅式换热器的

X 型开缝规律与转折 Re点的变化进行三维层流数值模拟。秦保军和朱春玲^[20，21]对肋片管换热器管外三维流动与传热情况进行了数值模拟。

苏铭^[22]对不同通道构型的薄膜式全热换热器的性能进行了数值计算分析和比较，所建物理模型图示如图 1。任效明^[23]等借助 CFD 软件中的κ-εRNG 模型，计算了百叶窗翅片空气侧不同流速下的换热和压降，理出换热和摩擦因子，与相关文献中的实验数据进行了比较分析。郝亮等^[2]采用分布参数法，对图 2 所示的层叠式蒸发器建模，分析中间隔板深度以及流程设置对其传热和压降特性的影响。靳世文等^[25]应用数值模拟方法研究了风量变化对管翅式蒸发器换热性能的影响；尹斌^[26]对R134a 单元机的蒸发器的仿真在使用改进的 Kattan模型下，计算了管内不同干度区域的局部沸腾换热系数，通过隐式三次多项式拟合模型计算制冷工质的物性参数。吴金星^[27，28]建立单周期三维模型对螺旋肋片换热器内流场和温度场进行模拟，并分析了影响换热性能的因素。黄东^[29，30]对单流路双排管蒸发器性能的数值模拟结果得出了风速分布形状对传热性能影响的规律。刘彦军^[31,32]用控制容积法对翅片管管片式换热器的肋效率进行了数值计算，分析了换热管间距、肋片厚度、导热系数等因素对肋效率的影响。

图 1 薄膜式全热换热器物理模型

3 存在的不足及发展前景

3.1 存在的不足

国内对于换热器肋片换热的研究起步比较晚、经验比较少，多借鉴于国外，无论是理论研究还是实验研究都还需进一步深入，技术创新还不够，但是对各因素对换热器性能影响的研究也比较全面。总的来说，仍然存在以下问题：

（1）换热器换热的理论研究不够完善，可供对肋片实际应用优化设计的理论依据太少，对于换热公式推导出的解析解较少，目前大多是通过试验数据分析拟和而成的经验公式；

（2）换热的理论体系缺乏系统性，不够完善；

（3）因为试验环境，材料，仪器的精度以及试验方法不同，在同一个研究方向的某些问题的研究结论存在的分歧较多，很难形成统一的意见，暂不能形成对实践的可靠指导；

（4）目前对换热器的研究大多基于一维、二维的换热，国内对于三维的换热模型的研究过少，同时，对于一维和二维传热模型的前提假设条件很苛刻，得出的结论适用性不强；

（5）结合试验建立的部分换热理论还缺乏严谨性和局限性。

3.2 换热器研究的发展前景

换热器肋片换热的研究应该注重基础性的理论研究创新，寻求建立能支撑肋片设计选型的系统化的理论，同时要结合实验研究，寻求实际应用中最节能的肋片参数值。换热器制造商和设计人员对于换热器肋片外型、布置仍然没有可靠的理论依据，传统的肋片布置方式在换热效率上不如换热管表面设置的针状或圆台状肋，而对于针状肋片在换热管表面的最佳换热的散布规律仍然还不明晰，理论研究非常薄弱；对替代传统的平板和环状肋片的高效换热肋片研究甚少。新型换热管的形状研究过少，目前的研究仅局限于传统的圆形或矩形换热管上，对更高效的换热管型的探索研究比较缺乏。对换热管排数和排列方式对换热器整体换热性能的影响研究的理论体系还没形成，目前对于此方面的研究多以实验研究为主，然后从实验中提取经验公式，关于管排数的纯理论的换热理论还没有得到建立。作为衡量换热器性能时的换热效率，已不能作为换热器设计选型的标准，换热效率高并不意味着制造成本的节省以及换热效果最佳化；传热因子和摩擦因子是比较合适的衡量换热器整体性能的指标，但是需要综合考虑此两种因素后建立换热器最优化换热的统一理论，单一的考虑换热因子或者摩擦因子的大小对于衡量换热器换热性能没有任何意义。

4 结语

总体来说，目前换热器换热的研究在理论基础方面还很欠缺，如今，能源日趋紧张，尤其是地下工程，可依据的换热器设计理论系统和标准对于强化换热和节能意义重大。在完善换热理论体系上，还需要做大量的理论和实验工作，这方面我们仍然任重道远。

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２．本课题要研究或解决的问题和拟采用的研究手段（途径）：

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。换热器又称热交换器,是一种将热流体的部分热量传递给冷流体的设备,也是实现化工生产过程中热量交换和传递不可缺少的设备。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。本文主要介绍了现有换热器的分类,各种换热器的特点工作原理及应用情况,对目前换热器的存在问题和发展趋势进行分析。

应用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，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。