文 献 综 述

1.课题背景

换热器是化工、石油、制药及能源等行业中应用相当广泛的单元设备之一。据统计，在现代化学工业中所用换热器的投资大约占设备总投资的30% ，在炼油厂中换热器占全部工艺设备的40%左右，海水淡化工艺装置则几乎全部是由换热器组成的。上个世纪70 年代初发生的世界性能源危机，有力地促进了传热强化技术的发展^[1]。为了节能降耗，提高工业生产的经济效益要求开发适用不同工业过程要求的高效能换热设备。因此，几十年来，高效换热器的开发与研究始终是人们关注的课题，国内外先后推出了一系列新型高效换热器^[2]。

中国换热器产业起步较晚。1963年抚顺机械设备制造有限公司按照美国TEMA标准制造出中国第一台管壳式换热器，1965年兰州石油机械研究所研制出我国第一台板式换热器，苏州新苏化工机械有限公司(原苏州化工机械厂)在20世纪60年代研制出我国第一台螺旋板式换热器。之后，兰州石油机械研究所首次引进德国斯密特(Schrnidt)换热器技术，原四平换热器总厂引进法国维卡勃(Vicarb)换热器技术，国内换热器行业在消化吸收国外技术的基础上，开始获得较快发展^[3]。20世纪80年代后，中国出现了自主开发传热技术的新趋势，大量的强化传热元件被推向市场，国内传热技术高潮时期的代表作有折流杆换热器、新结构高效换热器、高效重沸器、高效冷凝器、双壳程换热器、板壳式换热器、表面蒸发式空冷器等一批优良的高效换热器^[4]。

随着我国工业化和城镇化进程的加快，以及全球发展中国家经济的增长，国内市场和出口市场对换热器的需求量将会保持增长，客观上为我国换热器产业的快速发展提供了广阔的市场空间^[5]。

2.工作原理

2.1 总论

换热器是将热流体的部分热量传递给冷流体的设备，又称热交换器。换热器是实现化工生产过程中热量交换和传递不可缺少的设备。在石油、化工、轻工、制药、能源等工业生产中，常常用作把低温流体加热或者把高温流体冷却，把液体汽化成蒸汽或者把蒸汽冷凝成液体。随着经济的发展，各种不同型式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^[6]。换热器的应用广泛，日常生活中取暖用的暖气散热片、汽轮机装置中的凝汽器和航天火箭上的油冷却器等，都是换热器。它的主要功能是保证工艺过程对介质所要求的特定温度，同时也是提高能源利用率的主要设备之一。换热器既可是一种单元设备，如加热器、冷却器和凝汽器等^[7]。传统管壳式冷凝器管外对流换热，蒸汽管内冷凝。管壁凝结液增厚，阻碍蒸汽与壁面接触，是凝结换热主要热阻；同时管内流速明显下降，对流换热减弱；复杂的两相流对运行稳定性、流动阻力和系统调控等产生严重不利影响；管内热阻增加，外管壁温度下降，导致外测流体对流换热温差降低，如果是空冷冷凝器，则管外肋片利用率显著下降。传统上均采用内外增大面积来满足换热需求，管内尽量增大扰动，致使体积、质量较大，制作和运行成本高。在追求高效、节能、环保的今天，传统管壳式换热器单位体积传热面和传热系数较低，难以满足要求^[8]。另一方面，国内虽已有不少换热器厂家具备了一定制造能力，但由于对换热器的理解不够深入、积累不够充分以及加工工艺落后，产品都存在着结构紧凑性、传热强度和金属消耗量等方面的问题。可见管壳式（包括管翅空冷式等）冷凝器有着极大的性能提升、节能降耗、省空间的余地和可能，高性能强化传热技术尤受到国内外广泛重视。

图1-管壳式换热器示意图

冷凝器是换热器下分类中应用较广的一种，它是将制冷压缩机排出的高温高压制冷剂蒸汽的热量传递给冷却介质(空气或水)并使之凝结成液体的换热器。其工作过程是：来自压缩机的过热制冷剂蒸汽进入冷凝器后先被冷却成饱和蒸汽，继而被冷凝成饱和液体。若冷却介质流量大、温度低时，饱和液体还可进一步被冷却成过冷液体。增大传热面积、增强传热系数、加大平均温度差是强化传热的三种途径^[9]。