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摘 要

第一章 绪论

1.1研究换热器的重要性

两次工业革命以来，世界各地工业化飞速发展。大至国家小至企业都对化工生产领域有了更深的了解与更多的需求，各种储量有限的资源如天然气、石油、煤矿逐渐进入一种能耗增加、能源短缺的严重局面，人们不得不开始着手研究新能源开发来增加生产效益。而换热器的设计应用和能源开发与节约有着紧密的联系。因此，换热器被广泛应用于各种工业部门，它不仅作为热工环节中不可缺失的一部分，也是许多热工产品的咽喉部件。据数据调查，世界换热器产业的总市场规模在500亿美元左右。其中，欧盟和美国这两大市场的规模约占200亿美元，占全球换热器市场近40%的份额^[1]。

1.2换热器的分类

随着科学时代各种工业领域生产技术的发展，不同的工业部门对换热器的类型和结构也有着不同的要求。由于经济发展的飞速变化和人们对于生产需求的更多选择与标准致使了换热设备也需要配备不同的工作环境，使得许多类型的换热器层出不穷。即使如此，所有的换热器也可依照它们之间的不同特征来加以区分，详情见表1.1。

表1.1

1.3管壳式换热器

管壳式换热器属于间壁式换热器，也是这些换热器中被化工企业应用最广、最受欢迎的一种。

管壳式换热器的工作原理为：换热器内侧为管程，外侧为壳程，而需要换热的两种流体分别走内侧和外侧，在流体分别流动时高温流体会传热给低温流体从而达成换热目的。在本课题中，烟气作为需要放热的高温流体走管程，而水作为需要吸热的冷却流体（其中由于水的结垢性较高）走壳程。

管壳式换热器的组成部分有：外壳壳体、管束、折流板、管板、接管和封头。具体可见图1.1：

图1.1 单程管壳式换热器[]

1—外壳；2—管束；3、4—接管；5—封头

6—管板；7—折流板

同其他换热器一样，管壳式换热器也有具体的类型与特点，见下表：

表1.2

由此可见，若对换热流体温差、压力、造价成本有不同要求的场合，管壳式换热器的不同类型均能找到最适合的型式参与工业生产。

1.3.1管壳式换热器研究背景及意义

管壳式换热器作为一种高效紧凑式换热器，在加热、冷却、冷凝、蒸发和热回收过程中，除了高温、高压和特殊介质条件外,随着强化传热理论的研究,加强管壳式换热器的改进,将高效传热管与壳程强化传热的支撑结构相结合是今后换热器发展的一个重要方向。

无论是管程强化传热技术还是壳程强化传热技术，其结构的复杂性都将直接影响该技术的推广和发展，为此，强化传热技术的研究会朝着结构简化、传热效率高的方向发展。而如何提高传热效率的同时不使流体压降有明显升高，在增加有效传热面积的同时使换热器结构紧凑，以及如何在保证换热器具有较低生产如何成本的同时保证其有较高的使用寿命也将成为将来研究的重要内容。基于石油、化工、电力、冶金、船舶、机械、食品、制药等行业对换热器稳定的需求增长，我国换热器产业在未来一段时期内将保持稳定增长。另外，航天飞行器、半导体器件、核电站、风力发电机组、太阳能光伏发电及多晶硅生产^[2]等高新技术领域都需要大量的专业换热器。展望管壳式换热器的未来，它会在更广泛的领域大有作为。

1.3.2国内研究进展

（1）螺纹管的研究发展[]

在管壳式换热器内，以本课题为例，烟气与水的换热过程主要发生在管程和壳程，所以对于管壳式换热器的传热强化则可以主要集中在对管程壳程的研究上。上世纪开始，螺纹管的应用风靡全国。这种管的优点在于其螺旋结构能够使管内发生热交换的流体随着管状产生涡流的旋转状态，减少了边界层厚度，提高了系统的传热性能。有关专家对此特地做了一组螺纹管和传统光管的对比试验[]，实验结果得出布置螺纹状结构的系统传热效率是光管的4倍。

（2）回弯式管壳换热器

回弯式管壳换热器的构造十分独特，它表面看起来是“双管程双壳程”结构，但根本原因是将单管程程单壳程沿着对称中心折成180°从而造成了前者的“双程结构”。这种换热器的最大优点在于：管弯曲段的半径较大，管壁减薄量小，系统处于工况状态下的安全性更高。王玉女士将回弯式与传统U型双壳程式换热器做了一个综合对比，结果表明：相同传热量下，回弯式所需的传热面积、管数与壳程压降都比传统U型式的小。

（3）管内插件技术[]

管内插件技术是近几年新开发的一种能够专门提高管式换热器传热效率的先进技术。该技术的主要原理是：提高管壁表面换热流体的剪切应力，降低了流体的临界雷诺数，由此能提供更高的传热系数从而达到强化传热的目的。根据不同的增强传热的机理，由对应的不同的插件形式，例如：纽带形式、斜环片形式、交叉锯齿带等形式。根据青岛石化厂和上海石化总厂提供的数据，国产交叉锯齿能在保证壳程管程阻力压降不变的条件下提升近一半的传热系数[]

（4）空心环管壳换热器[]

空心环管壳换热器具有环状壳程的进出气夹套结构，这种构造不仅具有能双面强化换热的特点，还能有效减少壳程冷却流体进口处管壁表面的结垢性，大大增强的其耐腐蚀的能力，提高了设备的安全性与使用寿命。这种换热器与传统的管壳换热器相比，传热面积F减少了一半，但流体的流动阻力大大减少。目前国内许多酸处理的化工厂都在用，这也使得硫酸企业的生产效益得到提升。

（5）缩放管[]

在流体力学的专业课中我们学习到：流体在进入渐缩管和渐扩管之后的流速变化有很大不同，渐缩管的流动截面呈逐渐减少而渐扩管的截面逐渐增加，因此前者流速增大而后者减小，缩放管则是采用了渐缩与渐扩交叉结合的形式作管道，流体的流速不断变化冲击边界层，导致边界层厚度减少，雷诺数增加，达到了系统强化换热的目的。

1.3.3国外研究进展

从20世纪30年代以来，国内外学者对管壳式换热器进行了大量的研究，何种因素能够对换热过程进行扰动影响是重大焦点。目前，已熟知得到有:换热管排列方式，折流板与换热管以及壳体间隙，折流板切口率及间距等因素^[8]。在国外学者不断的探究与实验中，得到了以下几个关于管壳式换热器的新发现。

(1).贝尔-特拉华方法[C28]

对优化的弓形折流板换热器和螺旋折流板换热器的传热和压降修正系数进行了比较。总的来说，结果表明，适当设计的螺旋折流板能显著改善传热，同时降低换热器压降。螺旋折流板的传热增强由所谓的湍流增强校正系数反映，该系数表明了在临界折流板倾角为25°时可以发现传热量再在增加。当挡板倾斜角增加到超过该临界角时，湍流增强因子继续增加，最终产生的最大传热增强是理想横流条件下的1.39倍。根据螺旋倾角的不同，发现螺旋挡板导致的压降从0.26％到0.6％不等。

(2)[]

纳米流体因其有效的物理和热学性质而受到极大关注。纳米流体的许多应用之一是增强热交换器的热性能。在本研究中，进行了一项实验研究，以研究石墨烯纳米流体对垂直管壳式换热器中对流传热的影响。石墨烯薄片是用从糖中提取的石墨泡沫作为原料制备的。用扫描电子显微镜、X射线衍射、原子力显微镜和拉曼光谱对制备的石墨烯薄片进行了表征。石墨烯纳米流体已被用于热交换器的管侧，以增强其传热性能。研究了纳米流体浓度、流量和入口温度等参数对传热系数和热效率的影响。结果表明，石墨烯/水纳米流体的使用提高了立式管壳式换热器的热性能。使用0.2% 石墨烯/水纳米流体实现了传热系数的最大增加2996。此外，通过使用石墨烯/水纳米流体，热交换器的平均热效率提高了13.796％。

(3).[]

本文通过实验研究了在管壳式换热器管侧装有钢丝钉环切棒插入件的热、水力和热力性能。热性能用总传热系数(U)、效率(t)和传热单元数量(NTU)表示，而水力和热力性能分别用管侧压降和效率表示。热水的管侧流速从(13-18) LPM变化，同时考虑壳侧冷水的恒定流速(即18 LPM)。实验针对两种不同钉数、不同间距和五种不同管内分布形式的线钉圆棒插入物进行。同时测量压降并进行分析。将获得的所有数据与传统的光管换热器进行比较。实验结果表明，所提出的插入件结构在热交换器的热性能和热力学性能方面有显著的改善，但在液压性能方面有缺点。与常规设计相比，铀效率、NTU效率、能效和(火用)效率的增加百分比分别为(210～280%)、(132～149%)、(185～224%6)和(130～210%)。

（4）石墨烯纳米流体[]

目前的研究表明石墨烯纳米流体有着广阔的前景。本研究的主要重点是发展石墨烯纳米流体在层流下通过管壳式换热器的高对流传热行为。采用化学气相沉积法制备了石墨烯纳米片，并通过扫描电镜和拉曼光谱对其形貌进行了研究。测量了入口区域和层流条件下基于水的石墨烯纳米流体的对流传热系数。还讨论了温度和浓度对石墨烯纳米流体对流传热系数的影响。根据结果，向基础流体中添加0.075%[]的石墨烯有助于在石墨烯的饱和浓度下将热导率提高至31.83%6，并增强取决于流动条件的传热系数。与纯水相比，石墨烯纳米流体在浓度为小于96％时的对流传热系数在25℃～35℃时提高了35.6%。

(5).流路分析法

1947年，Tinker 提出了壳程流动模型(如图1.2所示)。在1958年Tinker也提出了一些计算方法，但是由于比较繁琐和难以理解，最终未能得到普遍的应用。随后Palen等对这个流动模型进行了修正，以用于折流板换热器设计。一直以来,这个流动模型成为了其它一些先进设计计算方法的理论分析基础^[12]。

图1.2 tinker流动模型

1.3.4课题研究思路

（1）了解管式换热器的研究背景与构造原理

（2）熟悉相关换热器热计算基本原理

（3）选择换热器构型进行传热计算和结构工艺计算，根据要求设计出合理的换热器

（4）进行经济性分析与技术总结

1.4小结

在如今的热工领域中，管壳式换热器绝对占有一席之地，而且从目前的情况来总结，其存在的经济价值与潜在研究价值不容小觑。作为换热器的代表之一，从业革命以来人们对它的学习、思考、改造、实践都取得了巨大的成果，不同型式、不同功能、不同工作环境的管壳式换热器层出不穷，逐渐能够满足工业生产的各种需求，如同水能够完美填补坑坑洼洼。因此，大力投资人力、财力去扩展这一领域一定会给国家工业系统的完善带来巨大收益，也会使得人类在热力学这一专业中取得更多新的知识。

第二章 管壳式换热器具体设计过程

本课题管壳式换热器的设计程序如下：

（1）根据任务书给出的原始数据在知网查询参考文献或者书籍以便得到烟气和水的物性参数等计算的必要数据，并于此选择对应的的设计的管壳式换热器的型式；

（2）利用热力学和传热学公式计算出整个换热器的传热量与烟气和水的流量；

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