高效换热器技术及工程应用

本书将无源强化传热分为五大类，逐章依次介绍各种强化传热技术的原理、结构、应用场景、设计计算、制造检验及工程应用，为工程技术人员及工业企业管理\生产人员在从事换热器选型、设计、制造、运行及管理时，提供参考，在最后一章简要介绍了各种换热器用材料及典型结构，方便工程技术人员快速了解各类材料及换热器的结构形式。
本书适合从事换热器选型、设计、制造、运行及管理的工程技术人员及工业企业管理\生产人员参考学习。

郭宏新，男，1963年8月生，博士，正高级工程师，现任中圣集团董事长、中国科学院南京冻土工程中心主任，国家标准委员会热棒工作组组长，江苏省工业节能技术研究院院长，是享受国务院政府津贴专家、国家 "万人计划"高层次人才、全国优秀共产党员。
研究方向为能源动力工程相关领域,高效传热技术、清洁能源LNG及新能源多晶硅工艺装备、节能环保工程，先后承担了国家科技部、工信部、中石化、中石油、中海油万华化学等大型国有企业委托的多项重大装备国产化研究。其中LNG气化器及液化装备国产化（列入中石化"十条龙"重点科技攻关项目）、中石化百万吨乙烯PO/SM 装置脱水反应器国产化以及20万吨乙二醇项目偶联反应器、国家工信部大型LNG 液化成套装备、LNG输送管道绝冷系统、超长距离热力管网输送系统、高压管道减震系统、大型火炬气回收系统、高含盐废水零排放系统等重大装备及系统工程研发制造服务等，打破了国外在同类技术上的长期垄断。牵头制定国家标准5项，国家火炬计划项目2项；国家重点新产品项目4项；江苏省科技成果转化专项资金项目5项，南京市科技支撑计划项目5项。获得发明专利70余项。科研成果获得国家科学技术进步奖二等奖，国家教育部科技进步一、二等奖、江苏省科学进步二等奖、南京市科技进步一等奖、中国石化联合会科技进步一等奖、中石化科技进步一等奖。

目前同类图书，大部分编者为高校教师，书中篇幅以介绍原理、理论基础、试验的内容居多，对于高效换热器的加工、制造、检验及应用内容涉及较少，本选题各章节均涵盖了以上相关内容，可以很好的为工程技术人员所借鉴。在目前国家强调节能减排及碳达峰的大背景下，推动高效传热技术有着很强的主观需求和外在压力，本选题契合时代主题，有利于推动节能减排增效，应有较为广阔的市场空间，也具有重要的时代意义。

能源是现代工业赖以发展的基础，随着现代工业大规模发展，对能源进行大规模开采利用，能源短缺日益严重，同时因化石能源消耗与环境污染、碳排放高度耦合，这些化石能源的不合理利用也给地球带来了严重的环境问题。面对这些问题，在现代工业发展的过程中，需要考虑对化石能源的高效合理利用，因此高效节能降耗、绿色低碳已成为国际社会的普遍共识。
中国作为世界上最大的发展中国家，近40年来高速发展，能源消耗居全球之首,能源消费带来的资源紧缺和环境污染问题更加突出。如何解决能源消耗与经济发展、环境保护之间的矛盾，大力推动节能减排攻坚战，加快建立健全绿色低碳循环发展经济体系，推进经济社会发展绿色转型，助力实现碳达峰、碳中和目标，实现高质量发展，是我国目前能源装备行业研究与开发的重点。在能源的转化与利用过程中，其中换热装备的效率与可靠性更是每位学者和产业工程师需要进行深入探讨与研究的重要课题。
强化传热技术是换热流程与装备节能减排的重要技术措施，对换热器的强化传热研究由来已久，并取得了很多效果显著的技术成果，如各种特型换热管、涂层换热管、内插件、结构紧凑型换热器等。这些高效传热技术的广泛推广应用，推动了现代工业能源的高效与清洁利用。
在石油、化工、煤化工、冶金、能源、电力、交通、环保、新能源等工业领域使用的换热器采用高效换热技术可以显著提高换热效率和运行的稳定性，实现换热流程的长周期运行,从而大幅提高流程工业的核心竞争力。本书编者在近40年的从业经验中深刻体会到换热装备稳定长周期运行的重要性，随着石油化工、煤化工单套装置生产规模的巨量增长，生产装置因换热装备腐蚀与结垢及应力破坏造成的非正常停车，可能造成几百万甚至上千万的损失。传统的石油化工企业，一年一小修，三年一大修，通过换热流程的高效化改造及其他装置的相应配套改造，实现六年一修的长周期运行，那么企业的效益将变成“1.16/0.96=3.33”,这就是通过对换热流程等环节的高效化改造给企业带来的真正收益。
本书编著者带领中圣科技研究院和其他专业机构合作,从事高效换热器及换热流程的研发、设计、制造工作多年，研制的高效换热器已远销全球，服务于BASF、BP、Shell 及国内大中型企业，并已经牵头制定了高效换热器用特型管国家标准。为此本书结合国家对节能减排的要求及相关政策和各种高效换热技术，详细阐述了螺纹管换热器、波纹管换热器、T型槽管换热器、翅片管换热器，扭曲管换热器、表面多孔管换热器、内插件、涂层换热器、热管式换热器、绕管式换热器、螺旋折流板换热器及印刷电路板换热器的高效换热机理、设计要点、制造注意事项及工程应用案例，特别阐述了不同应用环境下设计、制造换热器的各种金属和非金属新材料，为工程技术人员及在校大学生在进行高效换热器的研究、选型、设计、制造、使用提供参考资料，也可为工业企业节能管理人员开展节能降耗管理提供技术支撑,具有很强的工程实用性。
本书在编著过程中，中圣研究院技术团队的刘丰、杨峻、张贤福、江郡、钟宇航、姜龙骏、高原原、吕子婷等参与了编写工作，对他们的辛勤付出表示感谢。
由于水平和经验有限，书中难免出现疏漏和不足之处,敬请读者批评指正。

郭宏新
2023年4月

第1章高效换热器的发展001
1.1概述001
1.2高效换热器的研究现状003
1.2.1理论基础研究004
1.2.2研究主要方法004
1.2.3研究技术特点005
1.3高效换热器的发展趋势006
1.3.1计算流体力学的广泛应用006
1.3.2特种材料应用007
1.3.3特种制造技术007
1.3.4特殊结构形式008
1.4强化传热技术的效应评价准则008
1.4.1第一种工作效应对比的评价准则数009
1.4.2第二种工作效应对比的评价准则数011
1.4.3第三种工作效应对比的评价准则数011
1.4.4考虑成本和运行费用的评价方法012
参考文献013

第2章高效换热途径及机理014
2.1概述014
2.2强化传热形式015
2.3特型管016
2.4结构紧凑型换热器019
2.5内插件022
2.6表面处理023
2.7改变管束支撑结构024
2.8小结025
参考文献026

第3章螺纹管换热器028
3.1概述028
3.2螺纹管结构特点及加工028
3.2.1结构特点029
3.2.2适用范围029
3.2.3螺纹管的加工029
3.3螺纹管换热器传热计算032
3.3.1传热及压降计算033
3.3.2总传热系数计算035
3.3.3对压降的影响036
3.3.4设计需要考虑的因素037
3.4螺纹管换热器的工业应用038
参考文献040

第4章波纹管换热器041
4.1概述041
4.2波纹管换热器特点及加工042
4.2.1波纹管换热器特点042
4.2.2适用范围044
4.2.3波纹管的加工与检验044
4.3波纹管换热器强化传热设计045
4.3.1强化传热原理045
4.3.2传热及压降计算046
4.3.3设计需要考虑的因素050
4.4波纹管换热器的工业应用052
参考文献053

第5章T型槽管换热器055
5.1概述055
5.2T型槽管特点及加工055
5.2.1T型槽管的结构特点055
5.2.2T型槽管的加工056
5.2.3T型槽管的结构参数056
5.3T型槽管换热器的沸腾强化传热057
5.3.1T型槽管强化传热特点057
5.3.2T型槽管的强化传热模型058
5.3.3T型槽管的强化传热计算060
5.4高蒸发管064
5.5T型槽管换热器的工业应用065
参考文献066

第6章翅片管换热器068
6.1概述068
6.2翅片管分类069
6.2.1强化单相流体传热的翅片管070
6.2.2强化冷凝相变传热使用的翅片管071
6.2.3其他高效翅片管073
6.3翅片管加工方法及性能073
6.3.1翅片管特点073
6.3.2翅片管性能比较076
6.4外翅片管传热计算077
6.4.1总体传热量的计算077
6.4.2传热系数的计算077
6.4.3翅片效率的计算080
6.4.4翅片管压力损失的计算087
6.5内翅片管传热计算087
6.6翅片结构和管排布对换热效果的影响090
6.6.1翅片结构对换热效果的影响090
6.6.2翅片管排布对换热器性能的影响092
6.7典型翅片管换热器的设计方法092
6.7.1设计计算与校核计算基本方法092
6.7.2翅片管换热器的设计步骤093
6.8翅片管换热器的工业应用094
6.9翅片管发展及改进097
6.9.1翅片管发展趋势097
6.9.2新型翅片管传热元件098
6.9.3涡流发生器技术098
参考文献099

第7章扭曲管换热器101
7.1概述101
7.2扭曲管换热器特点102
7.2.1强化传热机理102
7.2.2扭曲管换热器特性103
7.3扭曲管换热器的设计104
7.3.1传热与压降计算104
7.3.2结构强度设计105
7.4扭曲管换热器的成型与制造108
7.4.1扭曲管成型108
7.4.2扭曲管换热器的制造109
7.5扭曲管换热器的工业应用109
参考文献112

第8章表面多孔管换热器114
8.1概述114
8.2强化沸腾传热原理114
8.3表面多孔管特性116
8.4表面多孔管传热计算120
8.5表面多孔管的制造与检验121
8.5.1表面多孔管的制造121
8.5.2表面多孔管的检验123
8.5.3表面多孔管换热器的制造125
8.6表面多孔管换热器的工业应用126
参考文献129

第9章内插件换热器131
9.1概述131
9.2扭带片132
9.2.1间隔扭带片133
9.2.2半扭带片134
9.2.3开槽扭带片134
9.2.4锯齿扭带片135
9.2.5组合扭带片135
9.2.6翼片扭带片137
9.3螺旋片138
9.4螺旋线圈139
9.5绕花丝140
9.6扭曲片静态混合器142
9.7其他结构146
9.7.1多孔介质146
9.7.2交叉锯齿带146
9.7.3组合型内插件147
9.8内插件性能对比149
9.9内插件的工业应用150
参考文献151

第10章涂层高效管换热器154
10.1概述154
10.2滴状冷凝涂层管换热器154
10.2.1概述154
10.2.2滴状冷凝实现方法155
10.2.3滴状冷凝的优缺点及适用场合158
10.2.4纯蒸汽滴状冷凝传热计算160
10.2.5含不凝气蒸汽滴状冷凝传热计算162
10.2.6滴状冷凝技术的工业应用165
10.3防腐蚀涂层换热器165
10.3.1概述165
10.3.2碳钢材料腐蚀机理166
10.3.3碳钢材料防腐蚀措施167
10.3.4防腐蚀涂层换热器的适用场合169
10.3.5防腐蚀涂层换热器的传热计算171
10.4涂层施工技术要求171
10.5涂层性能检测、检验标准173
10.6防腐蚀涂层换热器的应用及发展174
参考文献176

第11章热管式换热器181
11.1概述181
11.2热管原理与技术特性181
11.2.1热管工作原理181
11.2.2重力热管传热计算184
11.2.3重力热管构成与分类195
11.2.4重力热管技术特性198
11.3热管换热器的类型与结构200
11.3.1整体式热管换热器200
11.3.2分离式热管换热器205
11.3.3热管的腐蚀与防护208
11.4热管换热器的设计213
11.4.1设计计算214
11.4.2校核计算226
11.4.3计算软件简介231
11.4.4强度计算234
11.5热管制造与检验238
11.5.1热管制造238
11.5.2热管检验239
11.6热管换热器的工业应用242
11.6.1冶金行业242
11.6.2石油和化工行业273
11.6.3电力与环保行业282
11.6.4工业炉窑286
11.6.5新风换热288
11.6.6冻土安全290
参考文献293

第12章绕管式换热器294
12.1概述294
12.1.1绕管式换热器的优点295
12.1.2绕管式换热器的缺点296
12.2绕管式换热器设计296
12.2.1设计方法296
12.2.2绕管式换热器结构设计300
12.3绕管式换热器的制造301
12.3.1工艺流程302
12.3.2制造过程工艺要求302
12.4材料选择306
12.5绕管式换热器的工业应用307
12.5.1大氮肥低温甲醇洗装置307
12.5.2芳烃联合装置308
12.5.3甲烷化装置309
12.5.4加氢裂化装置310
参考文献312

第13章螺旋折流板换热器313
13.1概述313
13.2螺旋折流板换热器的设计计算313
13.2.1结构特点314
13.2.2设计与制造316
13.3强化传热319
13.3.1强化传热的原理319
13.3.2传热计算321
13.3.3压降的影响322
13.3.4设计需要考虑的因素323
13.4螺旋折流板换热器的工业应用324
参考文献327

第14章印刷电路板式换热器329
14.1概述329
14.1.1技术特点330
14.1.2换热芯体形式330
14.1.3换热板叠加结构331
14.2制造方法332
14.2.1流道刻蚀方法332
14.2.2扩散焊接技术333
14.3集成加工和检测评价技术335
14.4换热特性335
14.5阻力特性337
14.6传热设计338
14.7换热器设计计算338
14.7.1换热面积计算339
14.7.2整体设计340
14.8印刷电路板式换热器的工业应用340
14.8.1海上液化天然气340
14.8.2超高温气冷核反应堆341
14.8.3空气冷却341
参考文献342

第15章换热器材料344
15.1概述344
15.2金属材料344
15.2.1碳素钢及低合金钢345
15.2.2不锈钢346
15.2.3镍及镍合金348
15.2.4钛及钛合金350
15.2.5铝及铝合金351
15.2.6铜及铜合金352
15.2.7钽、锆材料353
15.3非金属材料354
15.3.1石墨354
15.3.2氟塑料359
15.3.3陶瓷361
15.3.4玻璃362
参考文献363