本書將無源強化傳熱分為五大類,逐章依次介紹螺紋管傳熱器、波紋管傳熱器、T型槽管換熱器、翅片管換熱器、扭曲管換熱器、表面多孔換熱器、內(nèi)插件換熱器、涂層高效管換熱器、熱管式換熱器、繞管式換熱器、螺旋折流板換熱器、印刷電路板式換熱器等各種高效換熱器,闡述各種強化傳熱技術的原理、結構、應用場景、設計計算、制造檢驗及工程應用,并在最后一章介紹了各種換熱器用材料及典型結構,方便工程技術人員快速了解各類材料及換熱器的結構形式。
目前同類圖書,大部分編者為高校教師,書中篇幅以介紹原理、理論基礎、試驗的內(nèi)容居多,對于高效換熱器的加工、制造、檢驗及應用內(nèi)容涉及較少,本選題各章節(jié)均涵蓋了以上相關內(nèi)容,可以很好的為工程技術人員所借鑒。在目前國家強調(diào)節(jié)能減排及碳達峰的大背景下,推動高效傳熱技術有著很強的主觀需求和外在壓力,本選題契合時代主題,有利于推動節(jié)能減排增效,應有較為廣闊的市場空間,也具有重要的時代意義。
能源是現(xiàn)代工業(yè)賴以發(fā)展的基礎,隨著現(xiàn)代工業(yè)大規(guī)模發(fā)展,對能源進行大規(guī)模開采利用,能源短缺日益嚴重,同時因化石能源消耗與環(huán)境污染、碳排放高度耦合,這些化石能源的不合理利用也給地球帶來了嚴重的環(huán)境問題。面對這些問題,在現(xiàn)代工業(yè)發(fā)展的過程中,需要考慮對化石能源的高效合理利用,因此高效節(jié)能降耗、綠色低碳已成為國際社會的普遍共識。
中國作為世界上最大的發(fā)展中國家,近40年來高速發(fā)展,能源消耗居全球之首,能源消費帶來的資源緊缺和環(huán)境污染問題更加突出。如何解決能源消耗與經(jīng)濟發(fā)展、環(huán)境保護之間的矛盾,大力推動節(jié)能減排攻堅戰(zhàn),加快建立健全綠色低碳循環(huán)發(fā)展經(jīng)濟體系,推進經(jīng)濟社會發(fā)展綠色轉(zhuǎn)型,助力實現(xiàn)碳達峰、碳中和目標,實現(xiàn)高質(zhì)量發(fā)展,是我國目前能源裝備行業(yè)研究與開發(fā)的重點。在能源的轉(zhuǎn)化與利用過程中,其中換熱裝備的效率與可靠性更是每位學者和產(chǎn)業(yè)工程師需要進行深入探討與研究的重要課題。
強化傳熱技術是換熱流程與裝備節(jié)能減排的重要技術措施,對換熱器的強化傳熱研究由來已久,并取得了很多效果顯著的技術成果,如各種特型換熱管、涂層換熱管、內(nèi)插件、結構緊湊型換熱器等。這些高效傳熱技術的廣泛推廣應用,推動了現(xiàn)代工業(yè)能源的高效與清潔利用。
在石油、化工、煤化工、冶金、能源、電力、交通、環(huán)保、新能源等工業(yè)領域使用的換熱器采用高效換熱技術可以顯著提高換熱效率和運行的穩(wěn)定性,實現(xiàn)換熱流程的長周期運行,從而大幅提高流程工業(yè)的核心競爭力。本書編者在近40年的從業(yè)經(jīng)驗中深刻體會到換熱裝備穩(wěn)定長周期運行的重要性,隨著石油化工、煤化工單套裝置生產(chǎn)規(guī)模的巨量增長,生產(chǎn)裝置因換熱裝備腐蝕與結垢及應力破壞造成的非正常停車,可能造成幾百萬甚至上千萬的損失。傳統(tǒng)的石油化工企業(yè),一年一小修,三年一大修,通過換熱流程的高效化改造及其他裝置的相應配套改造,實現(xiàn)六年一修的長周期運行,那么企業(yè)的效益將變成“1.16/0.96=3.33”,這就是通過對換熱流程等環(huán)節(jié)的高效化改造給企業(yè)帶來的真正收益。
本書編著者帶領中圣科技研究院和其他專業(yè)機構合作,從事高效換熱器及換熱流程的研發(fā)、設計、制造工作多年,研制的高效換熱器已遠銷全球,服務于BASF、BP、Shell 及國內(nèi)大中型企業(yè),并已經(jīng)牽頭制定了高效換熱器用特型管國家標準。為此本書結合國家對節(jié)能減排的要求及相關政策和各種高效換熱技術,詳細闡述了螺紋管換熱器、波紋管換熱器、T型槽管換熱器、翅片管換熱器,扭曲管換熱器、表面多孔管換熱器、內(nèi)插件、涂層換熱器、熱管式換熱器、繞管式換熱器、螺旋折流板換熱器及印刷電路板換熱器的高效換熱機理、設計要點、制造注意事項及工程應用案例,特別闡述了不同應用環(huán)境下設計、制造換熱器的各種金屬和非金屬新材料,為工程技術人員及在校大學生在進行高效換熱器的研究、選型、設計、制造、使用提供參考資料,也可為工業(yè)企業(yè)節(jié)能管理人員開展節(jié)能降耗管理提供技術支撐,具有很強的工程實用性。
本書在編著過程中,中圣研究院技術團隊的劉豐、楊峻、張賢福、江郡、鐘宇航、姜龍駿、高原原、呂子婷等參與了編寫工作,對他們的辛勤付出表示感謝。
由于水平和經(jīng)驗有限,書中難免出現(xiàn)疏漏和不足之處,敬請讀者批評指正。
郭宏新
2023年4月
郭宏新,男,1963年8月生,博士,正高級工程師,現(xiàn)任中圣集團董事長、中國科學院南京凍土工程中心主任,國家標準委員會熱棒工作組組長,江蘇省工業(yè)節(jié)能技術研究院院長,是享受國務院政府津貼專家、國家 "萬人計劃"高層次人才、全國優(yōu)秀共產(chǎn)黨員。研究方向為能源動力工程相關領域,高效傳熱技術、清潔能源LNG及新能源多晶硅工藝裝備、節(jié)能環(huán)保工程,先后承擔了國家科技部、工信部、中石化、中石油、中海油萬華化學等大型國有企業(yè)委托的多項重大裝備國產(chǎn)化研究。其中LNG氣化器及液化裝備國產(chǎn)化(列入中石化"十條龍"重點科技攻關項目)、中石化百萬噸乙烯PO/SM 裝置脫水反應器國產(chǎn)化以及20萬噸乙二醇項目偶聯(lián)反應器、國家工信部大型LNG 液化成套裝備、LNG輸送管道絕冷系統(tǒng)、超長距離熱力管網(wǎng)輸送系統(tǒng)、高壓管道減震系統(tǒng)、大型火炬氣回收系統(tǒng)、高含鹽廢水零排放系統(tǒng)等重大裝備及系統(tǒng)工程研發(fā)制造服務等,打破了國外在同類技術上的長期壟斷。牽頭制定國家標準5項,國家火炬計劃項目2項;國家重點新產(chǎn)品項目4項;江蘇省科技成果轉(zhuǎn)化專項資金項目5項,南京市科技支撐計劃項目5項。獲得發(fā)明專利70余項?蒲谐晒@得國家科學技術進步獎二等獎,國家科技進步一、二等獎、江蘇省科學進步二等獎、南京市科技進步一等獎、中國石化聯(lián)合會科技進步一等獎、中石化科技進步一等獎。
第1章高效換熱器的發(fā)展001
1.1概述001
1.2高效換熱器的研究現(xiàn)狀003
1.2.1理論基礎研究004
1.2.2研究主要方法004
1.2.3研究技術特點005
1.3高效換熱器的發(fā)展趨勢006
1.3.1計算流體力學的廣泛應用006
1.3.2特種材料應用007
1.3.3特種制造技術007
1.3.4特殊結構形式008
1.4強化傳熱技術的效應評價準則008
1.4.1第一種工作效應對比的評價準則數(shù)009
1.4.2第二種工作效應對比的評價準則數(shù)011
1.4.3第三種工作效應對比的評價準則數(shù)011
1.4.4考慮成本和運行費用的評價方法012
參考文獻013
第2章高效換熱途徑及機理014
2.1概述014
2.2強化傳熱形式015
2.3特型管016
2.4結構緊湊型換熱器019
2.5內(nèi)插件022
2.6表面處理023
2.7改變管束支撐結構024
2.8小結025
參考文獻026
第3章螺紋管換熱器028
3.1概述028
3.2螺紋管結構特點及加工028
3.2.1結構特點029
3.2.2適用范圍029
3.2.3螺紋管的加工029
3.3螺紋管換熱器傳熱計算032
3.3.1傳熱及壓降計算033
3.3.2總傳熱系數(shù)計算035
3.3.3對壓降的影響036
3.3.4設計需要考慮的因素037
3.4螺紋管換熱器的工業(yè)應用038
參考文獻040
第4章波紋管換熱器041
4.1概述041
4.2波紋管換熱器特點及加工042
4.2.1波紋管換熱器特點042
4.2.2適用范圍044
4.2.3波紋管的加工與檢驗044
4.3波紋管換熱器強化傳熱設計045
4.3.1強化傳熱原理045
4.3.2傳熱及壓降計算046
4.3.3設計需要考慮的因素050
4.4波紋管換熱器的工業(yè)應用052
參考文獻053
第5章T型槽管換熱器055
5.1概述055
5.2T型槽管特點及加工055
5.2.1T型槽管的結構特點055
5.2.2T型槽管的加工056
5.2.3T型槽管的結構參數(shù)056
5.3T型槽管換熱器的沸騰強化傳熱057
5.3.1T型槽管強化傳熱特點057
5.3.2T型槽管的強化傳熱模型058
5.3.3T型槽管的強化傳熱計算060
5.4高蒸發(fā)管064
5.5T型槽管換熱器的工業(yè)應用065
參考文獻066
第6章翅片管換熱器068
6.1概述068
6.2翅片管分類069
6.2.1強化單相流體傳熱的翅片管070
6.2.2強化冷凝相變傳熱使用的翅片管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翅片管特點073
6.3.2翅片管性能比較076
6.4外翅片管傳熱計算077
6.4.1總體傳熱量的計算077
6.4.2傳熱系數(shù)的計算077
6.4.3翅片效率的計算080
6.4.4翅片管壓力損失的計算087
6.5內(nèi)翅片管傳熱計算087
6.6翅片結構和管排布對換熱效果的影響090
6.6.1翅片結構對換熱效果的影響090
6.6.2翅片管排布對換熱器性能的影響092
6.7典型翅片管換熱器的設計方法092
6.7.1設計計算與校核計算基本方法092
6.7.2翅片管換熱器的設計步驟093
6.8翅片管換熱器的工業(yè)應用094
6.9翅片管發(fā)展及改進097
6.9.1翅片管發(fā)展趨勢097
6.9.2新型翅片管傳熱元件098
6.9.3渦流發(fā)生器技術098
參考文獻099
第7章扭曲管換熱器101
7.1概述101
7.2扭曲管換熱器特點102
7.2.1強化傳熱機理102
7.2.2扭曲管換熱器特性103
7.3扭曲管換熱器的設計104
7.3.1傳熱與壓降計算104
7.3.2結構強度設計105
7.4扭曲管換熱器的成型與制造108
7.4.1扭曲管成型108
7.4.2扭曲管換熱器的制造109
7.5扭曲管換熱器的工業(yè)應用109
參考文獻112
第8章表面多孔管換熱器114
8.1概述114
8.2強化沸騰傳熱原理114
8.3表面多孔管特性116
8.4表面多孔管傳熱計算120
8.5表面多孔管的制造與檢驗121
8.5.1表面多孔管的制造121
8.5.2表面多孔管的檢驗123
8.5.3表面多孔管換熱器的制造125
8.6表面多孔管換熱器的工業(yè)應用126
參考文獻129
第9章內(nèi)插件換熱器131
9.1概述131
9.2扭帶片132
9.2.1間隔扭帶片133
9.2.2半扭帶片134
9.2.3開槽扭帶片134
9.2.4鋸齒扭帶片135
9.2.5組合扭帶片135
9.2.6翼片扭帶片137
9.3螺旋片138
9.4螺旋線圈139
9.5繞花絲140
9.6扭曲片靜態(tài)混合器142
9.7其他結構146
9.7.1多孔介質(zhì)146
9.7.2交叉鋸齒帶146
9.7.3組合型內(nèi)插件147
9.8內(nèi)插件性能對比149
9.9內(nèi)插件的工業(yè)應用150
參考文獻151
第10章涂層高效管換熱器154
10.1概述154
10.2滴狀冷凝涂層管換熱器154
10.2.1概述154
10.2.2滴狀冷凝實現(xiàn)方法155
10.2.3滴狀冷凝的優(yōu)缺點及適用場合158
10.2.4純蒸汽滴狀冷凝傳熱計算160
10.2.5含不凝氣蒸汽滴狀冷凝傳熱計算162
10.2.6滴狀冷凝技術的工業(yè)應用165
10.3防腐蝕涂層換熱器165
10.3.1概述165
10.3.2碳鋼材料腐蝕機理166
10.3.3碳鋼材料防腐蝕措施167
10.3.4防腐蝕涂層換熱器的適用場合169
10.3.5防腐蝕涂層換熱器的傳熱計算171
10.4涂層施工技術要求171
10.5涂層性能檢測、檢驗標準173
10.6防腐蝕涂層換熱器的應用及發(fā)展174
參考文獻176
第11章熱管式換熱器181
11.1概述181
11.2熱管原理與技術特性181
11.2.1熱管工作原理181
11.2.2重力熱管傳熱計算184
11.2.3重力熱管構成與分類195
11.2.4重力熱管技術特性198
11.3熱管換熱器的類型與結構200
11.3.1整體式熱管換熱器200
11.3.2分離式熱管換熱器205
11.3.3熱管的腐蝕與防護208
11.4熱管換熱器的設計213
11.4.1設計計算214
11.4.2校核計算226
11.4.3計算軟件簡介231
11.4.4強度計算234
11.5熱管制造與檢驗238
11.5.1熱管制造238
11.5.2熱管檢驗239
11.6熱管換熱器的工業(yè)應用242
11.6.1冶金行業(yè)242
11.6.2石油和化工行業(yè)273
11.6.3電力與環(huán)保行業(yè)282
11.6.4工業(yè)爐窯286
11.6.5新風換熱288
11.6.6凍土安全290
參考文獻293
第12章繞管式換熱器294
12.1概述294
12.1.1繞管式換熱器的優(yōu)點295
12.1.2繞管式換熱器的缺點296
12.2繞管式換熱器設計296
12.2.1設計方法296
12.2.2繞管式換熱器結構設計300
12.3繞管式換熱器的制造301
12.3.1工藝流程302
12.3.2制造過程工藝要求302
12.4材料選擇306
12.5繞管式換熱器的工業(yè)應用307
12.5.1大氮肥低溫甲醇洗裝置307
12.5.2芳烴聯(lián)合裝置308
12.5.3甲烷化裝置309
12.5.4加氫裂化裝置310
參考文獻312
第13章螺旋折流板換熱器313
13.1概述313
13.2螺旋折流板換熱器的設計計算313
13.2.1結構特點314
13.2.2設計與制造316
13.3強化傳熱319
13.3.1強化傳熱的原理319
13.3.2傳熱計算321
13.3.3壓降的影響322
13.3.4設計需要考慮的因素323
13.4螺旋折流板換熱器的工業(yè)應用324
參考文獻327
第14章印刷電路板式換熱器329
14.1概述329
14.1.1技術特點330
14.1.2換熱芯體形式330
14.1.3換熱板疊加結構331
14.2制造方法332
14.2.1流道刻蝕方法332
14.2.2擴散焊接技術333
14.3集成加工和檢測評價技術335
14.4換熱特性335
14.5阻力特性337
14.6傳熱設計338
14.7換熱器設計計算338
14.7.1換熱面積計算339
14.7.2整體設計340
14.8印刷電路板式換熱器的工業(yè)應用340
14.8.1海上液化天然氣340
14.8.2超高溫氣冷核反應堆341
14.8.3空氣冷卻341
參考文獻342
第15章?lián)Q熱器材料344
15.1概述344
15.2金屬材料344
15.2.1碳素鋼及低合金鋼345
15.2.2不銹鋼346
15.2.3鎳及鎳合金348
15.2.4鈦及鈦合金350
15.2.5鋁及鋁合金351
15.2.6銅及銅合金352
15.2.7鉭、鋯材料353
15.3非金屬材料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
參考文獻363