1．结合毕业设计（论文）课题情况，根据所查阅的文献资料，每人撰写

2000字左右的文献综述：

文 献 综 述

一、课题背景

换热器是石油化工生产中重要的通用热工设备之一，它不仅是保证过程工艺条件所广泛应用的设备，也是开发利用二次能源的主要设备，其性能的好坏，直接影响工业装备的性能及工艺流城的顺利完成。

近年来，随着产品更新换代的加快，企业对换热器的设计提出了新的要求：产品结构形式多样，设计周期短。由于换热器设计本身的特点，设计过程工作量大，传统的人工设计及绘图远不能适应其发展，而采用计算机辅助设计技术不仅可大量节省人力、物力，提高效率，而且可以提高产品设计的质量、可靠性和标准化程度^[1]。

随着石油化工业的不断发展，换热器在石化行业设备中占据着重要的地位。换热器是一种是实现物料之间热量传递节能设备。本设计主要针对的是浮头式换热器，浮头式换热器属于列管式换热器的一种， 是利用间壁使高温流体和低温流体进行对流传热从而实现物料间的热量传递^[2]。

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^[3]。

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二、浮头式换热器

换热器是一种实现物料之间热量传递的节能设备是在石油、化工、石油化工、冶金、电力、轻工、食品等行业普通应用的一种工艺设备。在炼油、化工装置中换热器占总设备数量的嘶左右古总投资的30%到45%。目前在换热器设备中使用量最大的是管壳式换热器。管壳式换器按用途分为无相变传热的换热器和有相变传热的冷凝器和重沸器^[2]。

2.1换热器的分类：

（1）按传热种类分类：①无相变传热一舟妥分为加热器和冷却器。②有相变传热一 般分为冷凝器和重沸器。重沸器又分为釜式重沸器、虹吸式重沸器再沸器、蒸发器蒸汽发生器、废热锅炉。

（2）按结构分类：①浮头式换热器固定管板式换热器填料函式换热器，② 形管式换热器蛇管式换热器双壳程换热器单套管换热器多套管换热器外导流筒换热器折流杆式换热器热管式换热器插管式换热器滑动管板式换热器。按折流板分布分类。分为单弓形换热器、双弓形换热器、三弓形换热器、螺旋弓形换热器。

（3）按板状分类：分为螺旋板换热器、板式换热器、板翘式换热器、板壳式换热器、板式冷凝器、板式蒸发器、印刷电路板换热器、穿孔板换热器。此类换热器多用语高温、高压装置中具体分为螺旋锁紧环换热器、环换热器薄膜密封换热器、钢垫换热器、密封盖板式换热器。

2.2浮头式换热器的特点：

在工业生产中，由于用途工作条件和物料特性的不同出现了各种不同形式和结构的换热器。每种换热器都有其优缺点并且都适用于不同的条件和场合因此在选择换热器时据其实际情况茜于分析选择。浮头式换热器优点是浮头式换热器的管束连同浮头可以自由伸缩与外壳的膨胀无关因而不产生温差应力而且管束可以抽出便于清洗管程和壳程构坚固河靠性高适应性广处理能力大能承受较高的工作压力。这些优点表明对于管子和壳体间温差大、壳程介质腐蚀性强易结垢的情况浮头式换热器都能适应^[2]。

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三、浮头式换热器的结构

图1 浮头式换热器结构图

浮头式换热器结构图原理如图1所示^[3]。里面的结构分别为壳盖、浮头盖、换热器的浮头管板、整个冷却器的壳体、换热装置的结构板、节流板、冷却器的折流板等。

四、换热器的设计方法

本设计为浮头式换热器，属于管壳式换热器的一种。管壳式换热器具有可靠性高、适用性广等优点，在各工业领域中得到最广泛的应用。近年来受到其他新型换热器的挑战，但反过来也促进了其自身发展^[4]。在换热器向高参数、大型化的今天，管壳式换热器仍占主要地位。

该设计参考的前提是常减压装置中的工艺条件^[５]，根据装置工艺条件选择具体的流量、温度、压力等参数。浮头式换热器的主要特点是管束可以从壳体中抽出，便于清洗管间和管内。管内可以在其筒体内自由收缩，不会产生热应力。但是结构复杂，造价高，制造安装要求高。

浮头式换热器是由管箱、筒体、管板、封头、折流板、换热管^[6]等零部件组成。根据换热管材料、尺寸、管数、管程压力、管壁温度、管程数以及壳体材料、内径、厚度、壳程压力、温度等条件下确定管板的厚度、折流板的形状、尺寸和数量、折流板的布置情况和确定换热器的结构尺寸^[7]。根据已知的工作状况，选定换热器所在的化工工艺过程，从而根据工艺条件，以确定换热器内介质的物性参数；根据工艺结构尺寸结合已知条件，进一步计算换热器结构参数；最后进行换热器核算^[8]。

五、换热器的强化传热方法

5.1 高效传热管与管内插物

强化传热技术至今为止大致经历了三代^[9，10]:第一代强化技术只对换热表面作一些简单的处理，效果不理想;第二代技术则是在上世纪能源危机和石油危机背景下发展起来的，以扰流作为主要手段，技术比较成熟，得到广泛应用;此后，人们将对两种以上的强化技术进行复合，发展了第三代强化换热技术。各种强化传热技术都有其强化机理和特殊应用场合，选择时需要综合考虑多种因素。首先要考虑流态。层流时壁面法向流体间的质量和能量交换普遍很弱，因而换热能力不强，此时在离壁面不太近的地方给以扰动，也可有效提高传热速率;瑞流与层流不同，由于瑞流脉动，除了边界层粘性影响区，管壁法向的流体混合已经相当均勻。此时使用螺旋线圈、粗糖表面等方法，对近壁区流体施加扰动，或者破坏边界层粘性影响区，可有效强化传热。流体物性的影响也很重要，对于低导热和低热容的气体，增加流体扰动所带来的强化换热效果有限，此时需要增加换热面积。总体来看，层流强化技术种类较多，而瑞流换热强化效果也不如层流强化显著^[11]。

5.1.1 高效传热管

换热器常釆用换热光管，现已开发出多种结构简单、成本低廉的高效换热管，常用的有横纹槽管、螺旋槽管、缩放管、螺纹管和波纹管等。根据不同工况，合理釆用高效换热管与新型管束支撑物组合，可达到最佳的传热效果。

（1）横纹槽管

横纹槽管是双面强化管，管内表面是一圈圈的环形凸助，外表面是相应的一圈圈环形H槽。流体流过这些四槽和凸肋时，会引起附加润流，增加对边界层的扰动，同时还可以阻碍边界层发展，因而可以强化传热。由于旋祸主要集中在管壁附近，流阻动力增加较少。实验表明，用横纹槽管制成的换热器比普通光管换热器在同等换热效果下换热面积可以减小30%到50%^[12]。

（2）螺旋槽管

螺旋槽管内表面的凸槽与管子轴线成一定倾角，它能引导管内流体螺旋运动，增强对壁面边界区域的扰动，同时管内凸起面周期性地扰动流体，阻碍边界层的发展，管外表面四槽使壳侧表面边界层出现周期性分离，所以螺旋槽管也能起到双面强化效果。螺旋槽管强化效果良好，是目前采用较多的强化管。国内外学者对螺旋槽管换热性能进行了大量实验和数值研究^[13-17]。Shivkumar^[13]还研究了螺旋槽管与扭带的复合使用，复合强化管性能比单独螺旋槽管更好。

（3）缩放管

缩放管由依次交替的收缩段和扩张段组成。根据两段长度比例的大小，可分为对称型、急扩慢缩型和急缩慢扩型。缩放管流体始终在方向反复改变的纵向压力梯度作用下流动，扩张段会产生漩祸，而在收缩段流体则加速冲击边界层，因此缩放管能强化传热。研究表明，缩放管扩张段的局部换热系数沿轴向下降，而收缩段换热能力较强^[18，19]，增加收缩段的比例有利于增强缩放管的强化换热效果。

（4）螺纹管

螺纹管又称低肋管，助化系数为2~3，可有效扩大传热面积。螺纹管是单侧强化管，一般用于管侧表面传热系数比管外大1倍以上的场合。对于管外冷凝及沸腾，由于表面张力作用，也有较好的强化效果。美国Philips石油公司用螺纹管与折流杆组合，不仅消除了换热管振动问题，而且传热系数比弓形折流板换热器提高30%左右，壳侧压力损失却减少了 50%。

（5）波纹管

波纹管是由直管段和弧形管段交替组成的波节形流道。由于其截面面积周期性变化，管内外流体总是处于规律性的扰动状态，不断产生祸流。研究表明波纹管具有较高的换热效果，换热系数^[20]可以比光管提高3-4倍，同时由于流体冲刷管壁，不易形成污坂。

5.1.2 管内插物

管内插扰流元件也是强化管侧传热的有效途径，因为各种管内插物可以加速流体混合、破坏(或者减薄)热边界层或者增加传热面积等。常用管内插物包括螺旋扭带、螺旋线圈/弹簧、多孔介质等，如图2所示。

图2 各种管内插物强化管

（1）螺旋扭带

螺旋扭带内插物可使流体做螺旋运动，同时产生二次流旋祸，增加壁面扰动，另外由于换热管流通面积减小，流体速度增加，水力直径减小^[21，22]。Manglik^[23]对插入扭带的管内流体进行动力学分析，发现随着流速的增加，依次出现粘性流、旋祸流、祸流-瑞流过渡、瑞流旋祸流等四种流动状态。总体上讲，螺旋扭带传热强化效果好，同时结构简单，安装方便，在工业应用中十分广泛。扭带的安装有固定和和非固定两种方式。非固定扭带在流体的推动作用下发生旋转，可以有效地去除管壁的结振。固定扭带的缺点是阻力较大，而且瑞流强化换热效果不理想。为增强扭带强化传热速率或减小流动阻力，提高强化管的综合性能，国内外学者对扭带进行改进，提出了若干新型扭带，比如间断扭带、窄边扭带、齿面或齿边扭带、穿孔扭带、中间掏空扭带、穗齿扭带和多相位扭带等等。

（2）螺旋线圈/弹簧

螺旋线圈由一根金属丝扭转而成，一般贴近壁面使用，中心距与管内径相当。螺旋线圈可以引导管壁附近流体螺旋流动，还能周期性地扰动边界层，抑制边界层的发展，所以能强化传热。由于金属丝直径较小，阻力增加较少。文献^[24]调查了螺旋线圈的传热和阻力特性，结果表明端流时传热速率增强2~3倍，阻力增加4~5倍，综合效果较好。螺旋弹賛与螺旋线圈类似，但是螺距更小，而且可以伸缩，它除了具有螺旋线圈的特点外，由于受到流体冲击时产生收缩振动，极大地增强了流体的混合效果。文献^[25，26]的研究成果表明插入螺旋弹簧的换热管传热强化效果显著，但阻力增加也非常大。螺旋弹黃还具有防塘、除塘作用，不过它不容易控制，且会对管壁造成磨损，这很大程度地限制了其应用。

六、 结语

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。为了适应发展的需要，中国对某些种类的换热器已经建立了标准，形成了系列。浮头式换热器是一种常用的热量交换设备，广泛的应用于石油化工、化学工业等领域。对于炼油企业来说，换热器的作用更大，是它很多关键性生产设备中重要的一个结构。它的质量以及运行效率直接影响到了相应企业的生产安全与生产效率。要使大型浮头式换热器继续具有应用的生命力，需要对它相应缺陷进行改良。

参考文献：

[1] 高瞩.浮头式换热器辅助设计系统研究与开发.[J].技术竞越.2006年第21卷第2期:46-52.

[2] 张彪.浮头式换热器设计与应用.[J]科技论坛.2004年第16卷第3期:45-49.

[3] 支浩,汤慧萍,朱纪磊.换热器的研究发展现状.[C]化工进展.2009年第28卷增刊:10-17.

[4] 郭建章,杨茜,姜大鹏.浮头式换热器的结构改进及流场模拟分析.[A]青岛大学学报.2014第29卷第 2期:53-59.

[5] 赵振生.间接蒸发冷却器的改进实验与CFD模型研究.[D]硕士学位论文.2010:32-35.

[6] 宋虎堂,吴平芳,邹国强.CAD在浮头式换热器绘图系统中的应用.[J]1996年第33卷第2期:43-46.

[7] Wang Xuebin.Corrosionand Countermeasures of Floating Head Type Heat Exchanger.Heat Transfer Engineering[B]1673－257X(2014)06－43－04: 32-35.

[8] 王大华.浮头式换热器防垢和除垢探讨.[J]2005年第36卷第3期.22(7):68-71.

[9] Jie Ji, Tintai Chow. Domestic air2conditioner andinte2grated water heater for subtropical climate [J]. Ap2p lied T2hermalEngineering, 2003, 23: 5812592.

[10] Arif Hepbasli a, Yildiz Kalinci. A review of heat pumpwater heating systems.Renewable and Sustainable Energy Reviews .2008.06－43－04: 30-33..

[11] 吴业正,韩宝仪.制冷原理与设备[M].西安:西安交通大学出版社.1997.

[12] 陈柏涛.浮头式换热器检验检测及内壁腐蚀原因分析[J].上海铁道科技,2011年第22卷第1期:52-56

[13] 罗清海,汤广发,龚光彩,王静伟.热电热泵热水器的研制与节能分析[J].制冷空调与电力机械.2004年第36卷第3期(25):26-29.

[14] 俞树荣,葛菊花,浮头式换热器故障树的建立.[J]中国安全生产科学技术.2007年12月第3卷第6期.

[15] Lu Aye, W. W. S. Charters. Electrical and engine drivenheat pump s for effective utilization of renewable energy resources [J].App liedThermal Engineering.2003，23: 129521300.

[16] 田国强.内浮头式冷却器技术革新与应用.[J]石油与天然气化工.2000年第19卷第2期:35-37.

[17] 周涛.浮头式换热器失效分析与延寿技术.[D]西安石油大学:硕士学位论文.2011:64-67.

[18] Fleurial J. P. Borshchevsky A. Caillat, T. New materialsanddevices for thermoelectric applications[C] . Proceedingsof the 32ndIntersociety , 1997.

[19] 柳雄斌.过增元.换热器性能分析新方法.[A]物理学报.2009.58(07):21-22.

[20] 濮伟,刘培琴.制冷技术及设备(制冷与空调专业)[M]. 上海交通大学出版社.2006.

[21] 王红速.浮头式换热器水压试验工装设计.[A]化学设备与管道.2012，49(5):15-20.

[22] Macklin W.J.，Moseley，P.T.On the use of oxides for thermoelectric refrigeration[J].Materials Science Engi2neering B，1990，111-117.

[23] Macklin Gao Min，D.M. Rowe. Experimental evaluation of prototypethermoelectric domestic- refrigerators[J]. Applied Energy.2006，(83):133-152.

[24] 邵双全等.制冷空调系统计算机仿真技术综述.[J]制冷与空调.2002年第34卷第2期(3):10一14.

[25] 邢雅爱,吴珺.浮头式冷却器的组装工艺设计.[J]科技专论.2004年第31卷第2期.22(3):36-37.

[26] 刘丽宏,刘艳革.浮头式换热器试压工装的创新设计.[B]炼油与化工.2008(19):52-54.