发布时间：2023-11-12 来源：火狐平台首页

  换热器是将热流体的部分热量传递给冷流体，使流体温度达到工艺流程规定的指标的热量交换设备，又称热交换器，大范围的应用于化工、石油化学工业、动力、医药、冶金、制冷、轻工业等行业。随着节能技术的快速的提升，换热器的种类越来越多。

  换热器作为传热设备随处可见，在工业中应用非常普遍，特别是耗能量十分大的领域。随着节能技术的快速的提升，换热器的种类开发慢慢的变多。适用于不同介质、不同工况、不一样的温度、不同压力的换热器结构和形式亦不相同，换热器种类随新型，高效换热器的开发一直更新，具体分类如下。

  间壁式换热器是温度不同的两种流体在被壁面分开的空间里流动，通过壁面的导热和流体在壁表面对流进行换热。间壁式换热器根据传热面的结构不同可分为管式、板面式和其他型式。管式换热器以管子表面作为传热面，包括蛇管式换热器、套管式换热器和管壳式换热器等；板面式换热器以板面作为传热面，包括板式换热器、螺旋板换热器、板翅式换热器、板壳式换热器和伞板换热器等；其他型式换热器是为满足某些特别的条件而设计的换热器，如刮面式换热器、转盘式换热器和空气冷却器等。

  混合式换热器是通过冷、热流体的直接接触、混合进行热量交换的换热器，又称接触式换热器。由于两流体混合换热后必须及时分离，这类换热器适合于气、液两流体之间的换热。例如，化工厂和发电厂所用的凉水塔中，热水由上往下喷淋，而冷空气自下而上吸入，在填充物的水膜表面或飞沫及水滴表面，热水和冷空气相互接触进行换热，热水被冷却，冷空气被加热，然后依靠两流体本身的密度差得以及时分离。

  在蓄热式换热器中，冷热两种流体依次交替地流过同一换热表面而实现热量交换，固体表面除了换热以外还起到蓄热的作用：高温流体经过时，固体避免吸收并积蓄热量，然后释放给接着流过的低温流体。这种换热器的热量传递过程是非稳态的。

  换热器还可根据表面的紧凑程度而区分为紧凑式换热器（compact heat exchanger）与非紧凑式换热器(non-compact heat exchanger)。紧凑的程度可以用水力直径（d h，hydraulic diameter，也称当量直径，流动界面积的4倍除以湿周长）来区别，或者用每立方米中的传热面积β来衡量：当β>

  700m2或者d h3000m2或者100m

  20世纪20年代出现板式换热器，并应用于食品制造业。以板代管制成的换热器，结构紧密相连，传热效果好，因此陆续发展为多种形式。30年代初，瑞典首次制成螺旋板换热器。接着英国用钎焊法制造出一种由铜及其合金材料制造成的板翅式换热器，用于飞机发动机的散热。30年代末，瑞典又制造出第一台板壳式换热器，用于纸浆工厂。在此期间，未解决强腐蚀性介质的换热问题，人们对新型材料制造成的换热器开始注意。 60年代左右，由于空间技术和尖端科学的迅速发展，迫切地需要各种高效能紧凑型的换热器，再加上冲压、钎焊和密封等技术的发展，换热器制造工艺得到加强完善，从而推动了紧凑型板面式换热器的蓬勃发展和广泛应用。此外，自60年代开始，为了适应高温和高压条件下的换热和节能的需要，典型的管壳式换热器也得到了进一步的发展。70年代中期，为了强化传热，在研究和发展热管的基础上又创制出热管式换热器。20世纪80年代以来，换热器技术快速的提升，带来了能源利用率的提高。各种新型高效换热器的相继开发与应用带来了巨大的社会经济效益，市场经济的发展，私有化比例的加大，减少相关成本已成为企业追求的最终目标。因而节能设备的研究与开发备受瞩目。能源的日趋紧张，全球气温的不断升高，环境保护要求的提高给换热器及空冷式换热器及高温，高压换热器迎来了日益广阔的应用前景。

  换热器传热与流体流动计算的准确性，取决于物性模拟的准确性。因此，物性模拟一直为传热界重点研究课题之一，特别是两相流物性的模拟，这恰恰是与实际工况差别的体现。实验室模拟实际工况很复杂，准确性大多数表现与实际工况的差别。纯组分介质的物性数据基本上准确，但油气组成物的数据就与实际工况相差较大，特别是带有固体颗粒的流体模拟更复杂。为此，要求物性模拟在试验手段上更先进，测试的准确率更高。从而使换热器计算更精确，材料更节省。物性模拟将代表换热器的经济技术水平。

  分析设计是近代发展的一门新兴科学，美国ANSYS软件技术长期处在国际领先技术，通过分析设计能够获得流体的流动分布场，也可以将温度场模拟出来，这无疑给流路分析法技术带来发展，同时也给常规强度计算带来更准确，更便捷的手段。在超常规强度计算中，可模拟出应力的分布图，使常规方法没办法得到的计算结果能方便、便捷、准确地得到，使换热器更安全可靠。这一技术随着计算机应用的发展，将带来技术水平的飞跃。将会逐步取代强度试验，摆脱实验室繁重的劳动强度。

  换热器将随着装置的大型化而大型化，直径将超过5m，传热面积将达到单位10000 m2，紧凑型换热器将越来越受欢迎。板壳式换热器，折流杆换热器，板翅式换热器，板式空冷器将得到发展，振动损失将逐步克服，高温，高压，安全，可靠的换热器结构朝着结构相对比较简单，制造方便，重量轻发展。随着全球水资源的紧张，循环水将被新的冷却介质取代，循环将被新型，高效的空冷器所取代。保温绝热技术发展，热量损失将减少到目前的50％一下。

  各种新型，高效换热器将逐步取代现有常规产品。电场动力效应强化换热技术，添加物强化沸腾传热技术，通入惰性气体强化传热技术，添加物强化沸腾传热技术，微生物传热技术，磁场动力传热技术将会在新的世纪得到研究和发展。同心管换热器、高温喷流式换热器、印刷线路板换热器、穿孔板换热器、微尺度换热器、微通道换热器、硫化床换热器、新能源换热器将在工业领域及其它领域得到研究和应用。

  材料将朝着强度高，制造工艺简单，防腐效果好，重量轻的方向发展。随着稀有金属价格的下降，钛、钽、锆等稀有金属使用量将扩大，CrMo钢材料将实现不预热和后热的方向发展。

  国内污垢数据绝大多数都是20世纪60～70年代从国外照搬而来。四十年来，污垢研究技术发展缓慢。随着节能，增效要求的提高，污垢研究将会受到国家的重视和投入。通过对污垢形成的机理，生长速度，影响因素的研究，预测污垢曲线，从而控制结垢，这对传热效率的提高将带来重大的突破。保证装置低能耗，长周期的运行，超声防垢技术将得到大力发展。

  腐蚀技术的研究将会有所突破，低成本的防腐蚀涂层特别是金属防腐镀层技术将得到发展，电化学防腐技术将成为主导。

  螺旋折流板换热器（图1.1）是最新发展起来的一种管壳式换热器 ,是由美国 ABB 公司提出的。其基础原理为:将圆截面的特制板安装在”拟螺旋折流系统”中 ,每块折流板占换热器壳程中横剖面的四分之一 ,其倾角朝向换热器的轴线 ,即与换热器轴线

  保持一定倾斜度。相邻折流板的周边相接 ,与外圆处成连续螺旋状。每个折流板与壳程流体的流动方向成一定的角度 ,使壳程流体做螺旋运动 ,能减少管板与壳体之间易结

  垢的死角 ,来提升了换热效率。在气一水换热的情况下 ,传递相同热量时 ,该换热器可减少30 %～40 %的传热面积 ,节省材料 20 %～30 %。相对于弓形折流板 ,螺旋折流板消除了弓形折流板的返混现象、卡门涡街 ,来提升有效传热温差 ,防止流动诱导振

  动;在相同流速时 ,壳程流动压降小;基本不存在震动与传热死区 ,不易结垢。对于低雷诺数下(Re

  20 世纪 70 年代初 ,美国菲利浦公司未解决天然气流动振动问题 ,将管壳式换热器中的折流板改成杆式支撑结构 ,开发出折流杆换热器。研究表明 ,这种换热器（图1.2）不但能防振 ,而且传热系数高。现在此种换热器大范围的应用于单相沸腾和冷凝的各种工况。在后来出现了一种外导流筒折流杆换热器 ,此种换热器能最大限度地消除管壳式换热器挡板的传热不活跃区 ,增加了单位体积设备的有效传热面积。目前 ,所有的浮头式换热器均采用了外导流筒。近些年 ,又出现了直扁钢条支撑方式和波浪型扁钢支撑结构等新型支撑结构的折流杆换热器。这些新结构除了增加有效换热面积外 ,更主要的是提高了对管子震动的抑制作用。

  空心环管壳式换热器（图1.3）是华南理工大学于发明的一种新型管壳式换热器。空心环是由直径较小的钢管截成短节 ,均匀地分布于换热管管间的同一截面上 ,呈线性接触 ,在紧固装置螺栓力的作用下 ,使管束相对紧密固定。从而支撑管束并促进流体扰动。空心环支撑往往与强化管组合使用。其特点是：

  (1)壳程流阻低。壳程轴向流道空隙率达80 %的空心环管间支承物对纵向流体的形体阻力几乎能忽略。

  (2)传热膜系数高。该种结构的换热器可充分的发挥粗糙型强化传热管的强化传热性

  能 ,利用传热管的周向粗糙肋 ,促进纵向流体在传热界面上滞流层的湍流度,获得比普通光滑管界面高 80 %～100 %的传热膜系数

  近年来 ,人们将壳程强化传热的两种主要途径综合起来考虑 ,利用管子形状的变化来达到相互支撑和强化传热双重功能。目前主要有剌孔膜片式、螺旋扁管式和变截面管式几种形式。

  剌孔膜片式的特点是刺孔膜片既是支撑元件 ,又是管壁的延伸 ,增大了单位体积内的有效传热面积；膜片上的毛刺和小孔增大了流体湍流度 ,各区间的流体经小孔实现某些特定的程度的混合；刺和孔使换热表面的边界层一直更新 ,减薄了层流底层厚度 ,来提升了换热系数;壳程流体纵向流动 ,压力降很小。

  螺旋扁管是瑞典 ALLARES公司推出的一种高效换热元件，螺旋扁管的结构特点是管子换热段的任一截面均为一长圆 ,当组装成换热器时可以混合管束 ,也可以是纯螺旋扁管。螺旋扁管的截面类似于椭圆管 ,椭圆的长短轴比值根据换热管程和壳程的流速设计确定 ,当管程流量较低时 ,可增大长、短轴之比值。减少流通截面以提高流速 ,使换热器两侧处于较理想的流动状态。

  变截面管式（图1.4）是把普通圆管按一定节距压制出互成90度或互成60度的扁圆形截面 ,利用这种变截面管互相支撑并构成扰流元件。这种换热器管子排列紧凑 ,减少了换热器的尺寸和质量 ,而且可实现管束间流体薄层流动。其结构最简单 ,且是双面强化管 ,但最大弱点是管内阻力太大。

  流体在壳程中作纵向流动是管壳式换热器中最理想的流动形式。为了将弓形折流板支撑的横向流动尽可能地改为平行于管子的纵向流动，消除滞留死区。近年来开发出了一些新型结构，例如矩形孔、梅花孔等异形孔的折流板结构（图1.5）。这种折流板既

  能支承管子 ,又能让传热介质流过折流板 ,产生射流 ,从而消除了管子结垢和垢下腐蚀。后来 ,德国 GRIMMA公司制造的一种网状整圆形折流板换热器 ,传热效果优于传统的圆缺形折流板换热器 ,其结构为在折流板上开横排管孔 ,以 4 个孔为一组将管桥处铣通，壳侧流体在管桥处沿着轴向流动 ,避免了流体因转折引起的滞留区。瑞典的 WELL 和 GEE 提出的针翅管，既能扩大传热面，又可造成流体的强烈扰动，极大地强化了传热，而且压降不大，可非常大地节省支承板材料，是当前国内外最先进的纵向流换热器。

  热管是一种新型高效的传热元件。热管是一个内部抽成真空并充以少量液体的密封管，具有高效的导热性能。在工作时热流体通过热管的一端外表面，冷流体通过热管另一部分。籍助于管内工质的潜热变化而进行冷热流体间的换热。由于是潜热的变化，具有相当高的导热能力，其当量导热系数为铜、银等金属导热系数的几百倍。在20世纪60年代首先被应用于宇航技术中，后来在电子、机械、化工和石油等行业也有了广泛的应用。热管换热器在国外已系列化生产。而我国经过 20 多年努力先后开发了气、气热管换热器、热管蒸汽发生器和高温热管，并在石油、化工、冶金、动力以及水泥等行业得到了广泛的应用，取得了良好的效果。

  瑞典Alares公司开发了一种扁管换热器，通常称为麻花管换热器。美国休斯顿的布朗公司做了改进。螺旋扁管的制作的完整过程包括了“压扁”与“热扭”两个工序。改进后的麻花管换热器同传统的管壳式换热器一样简单，但有许多激动人心的进步，它获得了如下的技术经济效益：改进了传热，减少了结垢，真正的逆流，降低了成本，无振动，节省了空间，无折流元件。

  由于管子结构独特使管程与壳程同时处于螺旋运动，促进了湍流程度。该换热器总传热系数较常规换热器高40%，而压力降几乎相等。组装换热器时也可采用螺旋扁管与光管混合方式。

  该换热器严格按照ASME标准制造。凡是用管壳式换热器和传统装置之处均可用此

  种换热器取代。它能获得普通管壳式换热器和板框式传热设备所获得的最佳值。估计在化工、石油化学工业行业中具有广阔的应用前景。

  在管子上缠绕金属丝作为筋条(翅片)的螺旋管式换热器(TA)，一般都是采用焊接方法将金属丝固定在管子上。但这种方法对整个设备的质量有一系列的影响，因为钎焊法必将从换热中“扣除”很大一部分管子和金属丝的表面。更重要的是，由于焊料迅速老化和破碎会造成机器和设备堵塞，随之提前报损。

  俄罗斯推荐一种新方法制造绕丝筋管，即借助在管子上缠绕和拉紧金属丝时产生的机械接触来固定筋条。采用此法能促进得到钎焊时的连续特性(即将金属丝可靠地固定在管子上，而管子的截面又不过分压紧)，故对于金属丝仅用做隔断时，可以认为是较钎焊更受欢迎的方法。但若利用金属丝作为筋条(翅片)以增加换热面积时，只有当非钎焊筋条的有效传热面不小于钎焊连接时，才应更偏重于此方法。

  试验表明，当金属丝与管子为线性接触时，有效传热面最大，但此时金属丝会沿管子滑动。所以关键是要选取最佳的接触宽度，也就是绕丝时管子变形留下的痕迹的宽度。这样，非钎焊时的有效传热面要比钎焊时大。

  管壳式(如图2.1) 换热器是最典型的间壁式换热器,它在工业上的应用有着悠久的历史,而且至今仍在所有换热器中占据主导地位。

  管壳式换热器主要有壳体、管束、管板和封头等部分所组成,壳体多呈圆形,内部装有平行管束,管束两端固定于管板上。换热管在管板上可按等边三角形或正方形排列。等边三角形排，列较紧凑，管外流体湍动程度高，传热分系数大；正方形排列，管壳式换热器则管外清洗方便，适用于易结垢的流体。在管壳换热器内进行换热的两种流体，一种在管内流动，其行程称为管程；一种在管外流动，其行程称为壳程。管束的壁面即为传热面。为提高管外流体给热系数,通常在壳体内安装少数的横向折流档板。折流档板不仅可防止流体短路,增加流体速度,还迫使流体按规定路径多次错流通过管束,使湍动程度大为增加。常用的档板有圆缺形和圆盘形两种,前者应用更广泛.。流体在管内每通过管束一次称为一个管程,每通过壳体一次称为一个壳程。为提高管内流体的速度,可在两端封头内设置适当隔板,将全部管子平均分隔成若干组。这样,流体可每次只通过部分管子而往返管束多次,称为多管程。同样,为提高管外流速,可在壳体内安装纵向档板使流体多次通过壳体空间,称多壳程。在管壳式换热器内,由于管内外流体温度不同,壳体和管束的温度也不同。如两者温差很大, 换热器内部将出现很大的热应力,可能使管子弯曲,断裂或从管板上松脱。因此,当管束和壳体温度差超过50℃时,应采取适当的温差补偿方法,消除或减小热应力。

  （1）固定管板式换热器：管束两端的管板与壳体联成一体，结构相对比较简单,但只适用于冷热流体温度差不大,且壳程不需机械清洗时的换热操作。当温度差稍大而壳程压力又不太高

  （2）浮头式换热器：管束一端的管板可自由浮动，完全消除了热应力;且整个管束可从壳体中抽出,便于机械清洗和检修。浮头式换热器的应用较广，但结构很复杂，造价较高。

  （3）U型管换热器：每根换热管皆弯成U形，两端分别固定在同一管板上下两区，借助于管箱内的隔板分成进出口两室。此种换热器完全消除了热应力，结构比浮头式简单，但管程不易清洗。

  安装换热器的基础必须足以使换热器不发生下沉，或使管道把过大的变形传到换热器的接管上。基础方法大体上分为两种：一种为砖砌的鞍形基础，换热器上没有鞍式支座而直接放置在鞍形基础上，换热器与基础不加固定，可以随着热膨胀的需要而自由移动。另一种为混凝土基础，换热器通过鞍式支座由地脚螺栓将其与基础牢固地连接起来。

  在安装换热器之前应严格地进行基础质量的检查和验收工作，主要项目如下：基础表面概况；基础标高、平面位置、形状和主要尺寸以及预留孔是不是满足设计要求；地脚螺栓的位置是不是正确，螺纹情况是否良好，螺帽和垫圈是否齐全；放置垫铁的基础表面是否平整等。

  基础验收完毕后，在安装换热器之前应在基础上放垫铁，安放垫铁处的基础表面必须铲平，使两者能很好接触。垫铁厚度能调整，使换热器能达到设计的水平度和标高。垫铁放置后可增加换热器在基础上的稳定性，并将其重量通过垫铁均匀地传递到基础上去。垫铁可分为平垫铁、斜垫铁和开口垫铁。其中，斜垫铁必须成对使用。地脚螺栓两侧均应有垫铁，垫铁的安装不应妨碍换热器的热膨胀。

  换热器就位后需用水平仪对换热器找平，这样可使各接管都能在不受力的情况下连接管道。找平后，斜垫铁可与支座焊牢，但不得与下面的平垫铁或滑板焊死。当两个以上重叠式换热器安装时，应在下部换热器找正完毕，并用地脚螺栓充分固定后，再安装上部换热器。可抽管束换热器安装前应抽芯检查、清扫，抽管束时应注意保护密封面和折流板。移动和起吊管束时应将管束放置在专用的支承结构上，以避免损伤换热管。

  根据换热器的结构及形式，应在换热器的两端留有足够的空间来满足操作、清洗、维修的需要。浮头式换热器的固定头盖端应留出足够的空间以便能从壳体内抽出管束，外头盖端必须也留出足够的空间以便能从壳体内抽出管束，外头盖端必须也留出一米以上的位置以便装拆外头盖和浮头盖。固定管板式换热器的两端应留出足够的空间以便能抽出和更换管子。并且，用机械法清洗管内时，两端都可对管子进行刷洗操作。U形管式换热器的固定头盖应留出足够的空间以便能拆卸壳体。

  换热器不得在超过铭牌规定的条件下运行。应经常对管、壳程介质的温度及压降做监督，分析换热器的泄漏和结垢情况。管壳式换热器是利用管子使其内外的物料进行热交换、冷却、冷凝、加热及蒸发等过程，与其它设备相比较，其与腐蚀介质接触的表面积就显得很大，发生腐蚀穿孔及接合处松弛泄漏的危险性很高，因此对换热器的防腐蚀和防漏的方法也比其它设备要多加考虑。当换热器用蒸汽来加热或用冷水来冷却时，水中的溶解物在加热后，大部分溶解度都会有所提高，而硫酸钙类型的物质则就没有变化。冷却水经常循环使用，由于水的蒸发，使盐类浓缩，产生沉积或污垢。又因水中含有腐蚀性溶解气体及氯离子等引起设备腐蚀，腐蚀与结垢交替进行，激化了钢材的腐蚀。因此，一定要通过清洗来改善换热器的性能。由于清洗的因难程度是随着垢层厚度或沉积物的增加而迅速增大的，所以清洗间隔时间不宜过长，应根据生产装置的特点、换热介质的性质、腐蚀速度及运行周期等情况定时进行检查、修理及清洗。

  换热器的清洗可用机械法或化学法，应根据清洗的场所、范围、除垢难易程度、垢的性质来决定。凡不溶于酸碱和溶剂的污垢宜采用机械法。化学法适用于形状复杂的换热器的清洗，缺点是对金属多少有些腐蚀作用。下面介绍几种常用的清洗方法。

  喷水清洗：用高压水喷射或机械冲击的除垢方法。采用这种方法对化学法不能除去的碳化物污垢或硬质垢的清除是有效的，但清洗换热器时需将设备解体，所以适用于清洗浮头换热器或U形管换热器的管间部分，对固定管板换热器壳程就不能清洗了。其优点是钢材损耗微小。

  喷砂清洗：将经筛分的石英砂粒用压缩空气通过喷枪产生强大的线速度，冲刷换热器内壁，将污垢冲掉。砂粒要求硬度高，粒度形状复杂，颗粒均匀。

  喷丸清洗：由海绵球和将球推进需清洗的管内的流体喷枪组成。其优点是费用低廉、效率高。不仅用于直管且可用于蛇管、T形管、弯管等，适用范围较广。方法是在管的一端装入海绵球，接上喷枪，拧紧，开喷枪的阀门，即可射出压力流体。由于流体压力，将球推入管内，球受流体的反压力，借助海绵体的弹力，对管内壁施加挤压力。由于反压力，此挤压力增大，能很好地削掉污垢。且从球和管内壁间隙出来的流体以射流喷出，研削效果很好。同时污垢沿前方排出，具有机械研削和喷射清洗的优点。

  海绵橡胶球连续清管法：连续操作的自动化清洗，在冷却水系统中装入海绵橡胶球，平均每5min通过一个橡胶球，其直径略大于管径，因此能有效地擦去管子表面的沉积物或污垢。其优点是减少了由于结垢、腐蚀、渗漏或堵塞所造成的无计划停工。冷却水管的连续清洗可以大大减少水的化学处理，可省去手工或其它机械清洗的费用，创造了良好的清洗条件，延长了设备寿命。

  钢丝刷子清洗：用一根圆棒或管子，一端焊上与管子内径相同的圆形钢丝刷，一边旋转一边推进。如果是不锈钢管则不能用钢丝刷而用尼龙刷。用圆管比圆棒更有优越性，

  因为圆管向前推进时，污垢可以从管子中退出。否则圆棒向前进，污垢也向前进，愈积愈多，以致愈通愈因难。这种方法花费很大劳动力，但还是常用的清洗换热器管内的方法。

  刮刀或钻头除垢：在挠性旋转轴的顶端安装刮刀或钻头以除去污垢。旋转动力多用压缩空气或电力，也有使用水力或蒸汽的。一般是将驱动机构设在外边，通过旋转轴将动力传给刀具。旋转轴是挠性的，因此是弯管也能在里面灵活转动。但该法只适用于除去管子或圆筒里面的污垢。

  酸洗：酸洗是换热器化学清洗的主要方法，可溶解氧化铁、硬质污垢和其它金属氧化物。这要求对清除的沉积物性质和有关设备的构造成材料有所一解，来确定酸类。清除锈垢要用合适的酸、防凝剂及作辅助用的还原剂、二氧化硅溶解剂湿润剂铜钝化剂。清除氧化铁、钙或镁最有效的酸是盐酸。大部分用稀释酸如处理钢管可用12%的盐酸。柠檬酸效率最差，但如只有少量腐蚀产物也可使用。对奥氏体钢，如拆开有关部件有困难，可用盐酸。如主要部件由不锈钢制造则不许用盐酸。盐酸加入氧化物，对铁的溶解可稍有利，而对含硅的物料溶解大为有利。因此如含有硅沉淀物可推荐使用。柠檬酸加氟化物可改进氧化铁的溶解速率。

  碱洗：换热器在某些特定情况下也可用碱洗。有两种方法：一种为单独采用碱性洗涤剂进行碱洗，目的在于除去能溶解于碱性溶液中的污垢。另一种是在酸洗或其它方法进行清洗之后，用碱性进行中和钝化，清洗新设备、软化硬质污垢和氧化硅时可采用碱洗的方法，常用的洗涤剂为苛性钠、碳酸钠、磷酸钠、中和钝化溶液及甲烷等。在污垢中，当含铜非常多时，可在氨液中加入铜溶解剂，用于除去铜垢。

  溶剂清洗：溶剂清洗是为了清除石油化工和石油装置中换热器的有机污垢和含油质的污垢，油垢含有较多的钢材产物氧化铁类。使用有机溶剂掺表面活化剂和碱或用酸把有机溶剂和界面活性剂混合制成乳剂，对油和无机质同时进行清洗，可把有机垢和氧化铁同时除去。主要采用的溶剂有以下几种：四氧化碳主要是洗掉油品的有机污垢，芳香烃溶剂、碱性甲酚溶液、甲烷基-异丁烷基-甲醇重端对于含有酸性焦油的沉积物具有强烈的去垢清洁力。

  在线清洗是指工艺装置在运转中，将换热器组列中某一个进行清洗，这样就避免了装置全部停车，从而使换热器组列能够高效运行和延长运转周期。它与化学清洗在所用药剂、反应原理及剂量方面相同，最大不同点是设备不停止运行。优点是能减少机械或化学清洗的停工时间节省停工清洗的劳动力和费用，延长运转周期，防止操作过程中压降的增加，提高了传热效率，降低了能耗。

  为了保证换热器长久正常运行，提高其生产率，必须对设备进行维护与检修。应以预防性维修摆在首位，强调安全预防，以保证换热性连续稳定运转，减少任何可能发生的事故。检修应注意合理施工，检修之前进行全方位检查和清洗管子，并应拆开管子与管箱的连接处，再将整个管全部拆开以确定清洗或检修。应把换热器内的介质，特别是带有腐蚀性或形成聚合物的液体排出。在直立的固定管板换热器中，排液管接头应安装在管板底部，否则不能把壳程的流体全部排出。依据应排流体的性质，流体可排向大气或低压系统。换热器的排水应单独接出而不用支管板底部开口，换热器上安装阀门以提供反向冲洗。

  检修换热器时常常需要把换热管从壳体中抽出。但由于腐蚀、结垢等原因，换热管抽出比较困难。这就要求管束抽出装置有足够的抽出或推进力，能适应不同高度的位置变化，并能自动对中，能适应不同的换热器直径变化，机体轻、灵活方便、操作安全。其驱动方式有液压和机械式。液压式机构体积小，拉或推力大，适合于管束开始抽出或推进时的高负荷。而机械式驱动速度快，适用于在管束抽出或推进一段距离后的快速操作，所以以液压和机械联合驱动为好。

  换热器由于腐蚀、冲击、振动、应力等原因会造成损坏，主要发生在换热管子上，基本上有以下两种情况：

  (1)换热管由于外界因素而减薄或穿孔，当出现泄漏时就必须更换管子。把损坏的称热管从管板上拆下来，一般可采用钻削或铣削的办法来进行。注意不能损坏管板孔，否则，可能产生泄露漏。因此，要采用比管孔直径略小的钻头。如用铣削的方法，则不能将管壁铣穿，留下很薄的一层管子外壁，不仅保护了管孔免受损伤，而且也便于将整根管子抽出。如果是胀接则应先钻孔，除掉胀管头，拔出坏管，然后插上新管再进行胀接。操作中要注意不可以让异物嵌入管孔槽中，以免影响随后的胀接。在胀管时，对周围不需更换的管子的胀管处会有影响，所以对周围的管子可以轻胀一下。如果是焊接则需先用专用发刀具将焊缝刮下，然后拔出坏管。

  (2)由于气温变化产生膨胀、收缩，换热管入口端介质的涡流磨损及由于管束振动等原因使管子与管板连接处松弛而泄漏。如果是胀接可用胀管器对管子进行补胀，同于胀管应力可能会影响周围管子，故对其附近的管子也要轻胀一下，如果是焊接则需要对汇漏处进行补焊。

  换热器的使用量大，包括在新建项目、改造项日、更新项目中的使用。而在更新项目中．主要是对损坏的换热路来更换，损坏的原因一般由腐蚀造成。据统计，大概占有90％以上，全国每年由于腐蚀更换的换热器投资约20亿元。因此防腐成为技术发展的重点。近年来防腐研究经费投入很大，但技术发展缓慢，效果不明显。由于石油工业中的原油开采已进入中后期，石油中含酸值逐年增加，腐蚀逐年加重。再则中东含酸原

  油进口量猛增，设备防腐的投资也慢慢变得大。因此，抗腐蚀材料及防腐措施尤为至要。目前，换热器防腐主要有防腐蚀涂层、金屑涂层、金属堆焊、缓蚀剂等措施。

  换热器在化工生产的全部过程中起着至关重要的作用，其投资费用占全部投资费用较大。传统的管壳式换热器单位体积的传热面积较低，传热系数不高，难以满足生产规格要求，因而，高效换热器的研究越来越得到重视。提高换热器的换热效率是节约能源、减少实际工程投资的关键，对于提高换热效率国内外非常重视。

  换热器中流体的相对流向一般有顺流和逆流两种。顺流时，入口处两流体的温差最大，并沿传热表面逐渐减小，至出口处温差为最小。逆流时，沿传热表面两流体的温差分布较均匀。在冷、热流体的进出口温度一定的条件下，当两种流体都无相变时，以逆流的平均温差最大顺流最小。在完成同样传热量的条件下，采用逆流可使平均温差增大，换热器的传热面积减小；若传热面积不变，采用逆流时可使加热或冷却流体的消耗量降低。前者可节省设备费，后者可节省操作费，故在设计或生产使用中应尽量采用逆流换热。当冷、热流体两者或其中一种有物相变化(沸腾或冷凝)时，由于相变时只放出或吸收汽化潜热，流体本身的温度并无变化，因此流体的进出口温度相等，这时两流体的温差就与流体的流向选择无关了。除顺流和逆流这两种流向外，还有错流和折流等流向。在传热过程中，降低间壁式换热器中的热阻，以提高传热系数是一个重要的问题。热阻主要来自于间壁两侧粘滞于传热面上的流体薄层(称为边界层)和换热器使用中在壁两侧形成的污垢层，金属壁的热阻比较小。增加流体的流速和扰动性，可减薄边界层，降低热阻提高给热系数。但增加流体流速会使能量消耗增加，故设计时应在减小热阻和降低能耗之间作合理的协调。为降低污垢的热阻，可设法延缓污垢的形成，并定期清洗传热面。

  强化换热是指在传统的换热器基础之上通过强化传热技术来提高换热器的换热效率，减少换热过程中的能量损失。就强化传热技术来说，主要是力求使换热设备在单位时间内、单位传热面积传递的热量尽可能增多。从大的方面来说强化途径不外乎三个：提高传热系数、扩大单位传热面积、增大传热温差。

  管程的强化传热通常是对光管来加工得到各种结构的异形管，如螺旋槽纹管、横槽纹管、波纹管、低螺纹翅片管（螺纹管）、螺旋扁管、多孔表面管、针翅管等，通过这一些异形管进行传热强化。

  一是螺旋槽近壁处流动的限制作用，使管内流体做整体螺旋运动产生的局部二次流动；

  二是螺旋槽所导致的形体阻力，产生逆向压力梯度使边界层分离。螺旋槽纹管具有双面强化传热的作用，适用于对流、沸腾和冷凝等工况，抗污垢性能高于光管，传热性能较光管提高2～4 倍。

  横槽纹管强化机理为：当管内流体流经横向环肋时，管壁附近形成轴向漩涡，增加了边界层的扰动，使边界层分离，有利于热量的传递。当漩涡将要消失时流体又经过下一个横向环肋，因此不断产生涡流，保持了稳定的强化传热作用。研究和实际应用证明：横槽纹管与单头螺旋槽纹管比较，在相同流速下，流体阻力要大一些，传热性能好些，

  对波纹管按流体力学观点分析：在波峰处流体速度降低，静压增加，在波谷处流速增加，静压降低。流体的流动在反复改变轴向压力梯度下进行，产生了剧烈的漩涡，冲刷流体的边界层，使边界层减薄。因此用波纹管做换热管从理论上讲：由于波节的存在，增加了对管内流体流动的扰动，使波纹管具有较好的传热效果，但流动特性不如光管的好。在低雷诺数下，波纹管的换热与阻力性能比明显好于光管；在高雷诺数下，波纹管与光管的换热与阻力性能比非常接近。

  翅片管是一种外壁带肋的管子，肋的截面形状有矩形、锯齿形、三角形、T 型、E 型、花瓣型等等，这种管子有助于扩大传热面积，促进流体的湍流，通常用于以壳程热阻为主的情况。当壳程热阻为管程 2 倍以上时，使用翅片管是合适的。但不能用来处理容

  螺旋扁管的独特结构使流体在管内处于螺旋流动，促进湍流程度。实验研究表明：螺旋扁管管内膜传热系数通常比普通圆管大幅度提升，在低雷诺数时最明显，达 2～3 倍；随着雷诺数的增大，通常也可提高传热系数 50%以上。

  在普通金属管表面敷上一层多孔性金属层，形成表面多孔管。表面多孔管能显著地

  针翅管既扩大了传热面，又可造成流体的强烈扰动，极大地强化传热，而且压降不大，并可籍针翅互相支撑而取消折流支撑板（杆），非常大地节省支撑板材料，可代替光管和螺纹管作为油品换热器的换热管，也是低传热膜系数、高粘度介质和含尘高温烟气的理想传热管，可用于油品等纵向流管束换热和烟气锅炉或余热回收中。

  管内插入件是强化管内单相流体传热的行之有效的方法之一。目前管内插入件的种类很多，有纽带、螺旋线圈、螺旋片、静态混合器等。管内加麻花片纽带使管内换热系数比光管增加了 56%～95%，摩擦系数增加了 70%～400%。因内插物是为降低管内流体由层流转变到湍流时的临界雷诺数，一般说它们在低雷诺数下强化传热的效果比湍流区更佳。

  在管壳式换热器中，管束支撑结构的最大的作用是：支撑管束，使壳程流体产生期望的流型和流速，阻止管子因流体诱导振动而发生失效。因此，管束支撑结构是壳程内的核心部件，直接影响着换热器壳程的流体流动和传热性能。管束支撑结构经过多年的研究、应用和发展，概括起来有3种类型：

  （3）螺旋流式支撑，如螺旋折流板，使壳程流体呈螺旋流动。其中，传统的管壳式换热器壳程流体横向冲刷管束传热效率较低，流动阻力大，常发生流体诱导振动而导致破坏。为解决换热管束的振动问题，美国菲利浦石油公司在 20 世纪 70 年代开发了折流板式换热器，该换热器不仅解决了振动问题，而且由于壳侧流体的纵向流动使折流板换热器比传统的弓形折流板换热器传热系数提高 30%左右，壳程压降减少 50%。这种异型折流板性能特点是：

  （1）能有效地支撑管束，从而避免管束发生流体诱导振动（“大管孔”式除外）；

  （3）各种各样的形式的孔对流体具有“射流作用”，射流流体速度高且直接冲刷管外壁，因而能增加流体湍流度，减薄管壁液体的边界层，因而有效强化了壳程传热，适用于中、低粘度流体且雷诺数不太大的场合。而螺旋折流板换热器又可分为单螺旋折流板换热器和双螺旋折流板换热器。螺旋折流板换热器与常规折流板相互平行布置方法不一样，它的折流板相互形成一种螺旋形结构，每个折流板与壳程流体的流动方向成一定的角度，使壳程流体做螺旋运动，能减少管板与壳体之间易结垢的死角，来提升了换热效率。螺旋流换热器的强化传热机理为螺旋通道内的流型减弱了边界层的形成，从而使传热系数有较大增加。相对于弓形折流板，螺旋折流板消除了弓形折流板的返混现象，来提升有效传热温差，防止流动诱导振动；在相同流速时，壳程流动压降小；基本不存在流动与传热死区，不易结垢，适宜于处理含固体颗粒、粉尘、泥沙等流体。对于低雷诺数下（Re＜1000）的传热，螺旋折流板效果更为突出。在螺旋折流板换热器中，螺旋角β（即壳侧介质流动方向与管束横截面之间的夹角）将直接影响壳侧流体的流动及传热性能。

  在流体传热学的研究中，常用的方法有实验研究法、理论分析法和数值计算方法。

  实验研究是最基本的研究方法，因为所有传热过程基本定律的揭示首先要通过实验测定来完成，在传热学中引入的诸如导热系数这一类的热物性参数要靠实验测定来获得。在现阶段，对流传热表面传热系数的工程计算公式都是通过实验测定得出的。在传热学发展进程中，为了可以有效地进行对流传热的实验研究，形成与发展起来了相似原理的基本内容。实验的方法在传热设备性能的标定、过程的控制、实验仪器的开发以及新现象的研究中起着重要的作用。

  流体的速度、压力等参数是由纳维--斯托克斯方程以及连续性方程等一组偏微分方程规定的，同样物体中各点的温度也是由一个能量方程的偏微分方程规定的。理论分析就是在给定的条件下求解这些偏微分方程，从而得出能确定物体中各点温度、速度等的函数，成为解析解或精确解。由于实际问题的复杂性，目前只能对情况相对来说比较简单的问题得到分析解。

  数值计算求解的基本思想可以概括为：把原来在时间、空间坐标系中连续的物理量的场，如导热物体的温度场，用有限个离散点上的值的集合来代替，通过求解按一定方法建立起来的关于这些值的代数方程，来获得离散点上被求物理量的值。

  其中，理论研究方法的特点是：能够清晰普遍的揭示出流动的内在规律，但是该方法目前只局限于少数最简单的理论模型，而且需要研究者具有较高的理论素养和数学功底。实验研究方法的特点是结果可靠，但其局限性在于相似准则不能全部满足、尺寸限制、边界影响等，同时实验研究需要场地、仪器设施和大量经费，研究周期也比较长。数值方法所需要的时间和费用较少，而且具有较高的精度，目前在流体力学及传热学的研究中扮演着逐渐重要的角色，例如波音777飞机，就是一架“Paper Design”的飞机，大量的风洞试验以及全机应力实验等都是通过在计算机上进行CFD和有限元等数值模拟完成的。数值计算方式要求对问题的物理特性有足够的了解，并能建立比较精确的描述方程组。

  数值模拟的第一步是由流体力学、热力学、传热传质学、燃烧学及热等离子体等的基础原理出发，建立质量、动量、能量、组分、湍流特性的守恒方程组，对湍流、多项流等，由不同的模拟理论出发，往往基本守恒方程组也不同，因此，如何构造方程组，也是模拟理论的重要部分。

  写出基本方程组后并非以万事大吉，这些方程组往往不是封闭的，特别是湍流、甚至多项流、化学反应流更是如此。例如，动量方程中的脉动速度关联项（雷诺应力项），能量方程中的湍流导热项及辐射项，扩散方程中的扩散项及湍流反应项等都是未知的。解决这一问题，使方程组封闭，即使模拟理论的核心问题。现在好多数值模拟软件，如Fluent，以预设了许多物理模型，如湍流模型、两项流模型、湍流反应模型、辐射换热模型、污染物生成模型等。我们大家可以根据具体问题选不一样的模型，也能自己通过实验事实或物理概念的基本假设来构造各个过程的模型，然后将Fluent作为一个开发平台，利用UDF功能将自己提出的物理模型实现，并做检验。

  数值模拟必须按给定的几何形状和尺寸，由问题的物理特性出发，确定计算域并给定计算域的的进出口，轴线（或对称面）及各壁面或自由面处条件。正确给定边界条件是十分重要的，但不是轻而易举的事情。边界条件是否合理往往也是数值模拟的成败的核心问题之一。初始条件是所研究对象在过程初始时刻各个求解变量的空间分布情况。对于瞬态的非定常问题必须给定初始条件。对于定常问题，不需要初始条件。

  采用数值方法求解控制方程时，都是想方法将控制方程在空间区域上进行离散，然后求解得到的离散方程组，其本质就是把连续的空间变量用离散的网格点上的变量来近似，连续的控制方程在离散之后就成为所有网格点上变量的非线性方程组。要想在空间区域上离散控制方程组，一定要使用网格。现在已发展出多种对各种区域进行离散以生成网格的方法，网格生成技术也成为CFD领域的一个独特分支。

  用数值方法求解偏微分方程组，必须将方程组离散化，即把计算域内有限数量位置上的因变量作为基本未知量来处理，从而建立一系列关于这组未知量的代数方程组，通过求解代数方程组来获得这些节点上的值。

  对于所引入的因变量在节点之间的分布，假设及推导离散化方程的方法不同，形成了有限差分法，有限容积法，有限元或有限分析法等不一样的离散化方法。在同一种离散化方法中，对方程中对流项所采用的离散格式不同，也将导致不同形式的离散方程。

  对离散完成的差分方程组已经有各种不同的求解方法。例如涡量-流函数算法、基于压力的压力-速度修正算法（SIMPLE系列算法），基于密度的耦合隐式或显式时间推进求解算法，矢通量分裂方法和通量差分分裂方法等。针对代数方程组的求解有三角形矩阵法（追赶法）、逐线迭代、松弛高斯赛德尔迭代方法等。针对两项流和有反应的流动又有一些更专门的解法，如颗粒与流体的耦合PSIC法，加速化学反应计算而设计的ISAT

  对各种工况进行大量的模拟计算后，如果判断解收敛，就能够获得一批可用的变量场预报结果。判断解的收敛性是一个经验性很强的问题。常用的判断方法就是判断残差小于我们设定的某个小量，实际应用中，经常需要配合以总的质量流量、某点的物理量变化或某个截面通量物理量的变化、物体所受的力或力矩的变化等来综合判断，而且有时是所监控的物理量不再变化，有时是所监控的物理量周期性变化时，就认为解收敛了。如果解不收敛甚至发散，就需要调松弛因子，降低差分格式，选择更简单的模型，甚至重新再回到GAMBIT划分网格以提高网格质量，再重新计算。总之，一定要活得收敛的数值模拟结果。

  必须将这些数值模拟结果和变量场的测量结果进行对照，或者依据一些理论结果，定性并且定量地评价模拟结果或模拟理论及方法优缺点及可靠性，方便我们最终选择更合适的模拟理论及方法。

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