成慶林 王曉娜 楊金威 孫 巍 李治東

（1. 東北石油大學(xué)提高油氣采收率教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室；2. 中油國(guó)際管道公司）

換熱器是實(shí)現(xiàn)熱量交換，將高溫流體熱量傳給低溫流體的設(shè)備，在石油化工、能源動(dòng)力及核能等工業(yè)領(lǐng)域普遍使用。 換熱器類型繁多，其中管殼式換熱器具有成本低、適應(yīng)性強(qiáng)、操作彈性大及承壓能力強(qiáng)等諸多優(yōu)點(diǎn)， 且適用于高溫、高壓、高流量的場(chǎng)合，故在工業(yè)中應(yīng)用最廣泛。 換熱器在石油化工生產(chǎn)中投資可達(dá)30%以上，在“碳中和”、“碳達(dá)峰”的背景下，提高換熱器的換熱效率意義重大［1，2］。

隨著CFD軟件的興起， 近年來(lái)國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)換熱器的研究不再拘泥于實(shí)驗(yàn)方法， 大多基于CFD軟件對(duì)管殼式換熱器展開(kāi)數(shù)值模擬。 為提升管殼式換熱器的性能，解決存在流動(dòng)死區(qū)、漏流等問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外學(xué)者致力于對(duì)強(qiáng)化傳熱技術(shù)的研究。 另有一些學(xué)者從能質(zhì)角度出發(fā)，對(duì)換熱器展開(kāi)火用傳遞研究，給出了火用傳遞性能相關(guān)參數(shù)的定義和計(jì)算公式， 用于評(píng)價(jià)換熱器的換熱性能，其評(píng)價(jià)結(jié)果對(duì)換熱器的優(yōu)化和改進(jìn)具有重要參考意義。 筆者基于相關(guān)文獻(xiàn)，整理分析近年來(lái)管殼式換熱器強(qiáng)化傳熱技術(shù)及其火用傳遞特性，結(jié)合研究現(xiàn)狀提出了管殼式換熱器未來(lái)的研究方向。

1 管殼式換熱器強(qiáng)化傳熱技術(shù)進(jìn)展

由傳熱方程Q=KAΔtm可知， 想要達(dá)到強(qiáng)化傳熱的效果有3個(gè)途徑， 分別是提高總傳熱系數(shù)K、增大換熱面積A和增大換熱介質(zhì)的溫差Δtm。 為此，國(guó)內(nèi)外學(xué)者采用不同的方法對(duì)換熱器性能進(jìn)行優(yōu)化。

1.1 管程強(qiáng)化傳熱技術(shù)

管程強(qiáng)化傳熱主要通過(guò)異型管來(lái)實(shí)現(xiàn)，如在管束內(nèi)外表面軋制螺旋槽紋、在管束內(nèi)外側(cè)增設(shè)翅片等。 此外，改變換熱管束的布管方式也能夠達(dá)到強(qiáng)化換熱的效果。

1.1.1 螺旋槽紋管

單頭螺旋槽紋管結(jié)構(gòu)圖如圖1所示， 其強(qiáng)化傳熱機(jī)理主要是擾流作用和降低邊界層的熱阻。

圖1 單頭螺旋槽紋管結(jié)構(gòu)圖

通過(guò)對(duì)大量文獻(xiàn)的調(diào)研發(fā)現(xiàn)，國(guó)外對(duì)于螺旋槽紋管的研究開(kāi)始得較早， 美國(guó)BW公司早在1956年就已經(jīng)獲得了試驗(yàn)的成功［3］。 我國(guó)學(xué)者針對(duì)螺旋槽紋管的數(shù)值模擬研究是在1995年由北京化工大學(xué)張政和張建文發(fā)起的，他們將三維復(fù)雜流動(dòng)和傳熱問(wèn)題轉(zhuǎn)化為了二維問(wèn)題［4］。 KO T H給出了不同設(shè)計(jì)參數(shù)組合下螺旋管的最佳曲率比［5］。 MOHAMMED H A和NARREIN K采用數(shù)值模擬的方法，證明了減小螺旋半徑、增大內(nèi)徑和減小環(huán)空直徑均可提高螺旋管換熱器的換熱速率［6］。 崔海亭和趙欣在文獻(xiàn)［4］的基礎(chǔ)上，采用螺旋坐標(biāo)變換法， 利用CFD軟件數(shù)值模擬得到了螺旋槽紋管內(nèi)的流動(dòng)和換熱情況，進(jìn)一步說(shuō)明了螺旋坐標(biāo)變換法的合理性，也說(shuō)明了利用有限差分法分析螺旋槽紋管這種具有復(fù)雜的邊界形狀的壁區(qū)不夠精確，應(yīng)該采用有限元法、有限分析法等［7］。

劉超采用數(shù)值模擬的方法得到了相關(guān)幾何參數(shù)對(duì)螺旋槽紋管換熱性能的影響（表1），由表1可見(jiàn)，螺旋升角和螺旋頭數(shù)對(duì)螺旋槽紋管換熱性能的影響較?。?］。因此，在設(shè)計(jì)和應(yīng)用螺旋槽紋管換熱器時(shí)，應(yīng)主要考慮螺距、槽深及壁厚等因素的影響，使螺旋槽紋管換熱器的傳熱系數(shù)和流動(dòng)阻力均滿足需求。

表1 相關(guān)幾何參數(shù)對(duì)螺旋槽紋管換熱器換熱性能的影響

通過(guò)對(duì)螺旋槽紋管發(fā)展現(xiàn)狀的分析可以看出，目前，強(qiáng)化傳熱研究在理論、實(shí)驗(yàn)、數(shù)值模擬方面均已達(dá)到了較高水平。 進(jìn)一步優(yōu)化螺旋槽紋管的幾何尺寸，得出螺旋槽紋管換熱器在不同工況下能量傳遞規(guī)律的關(guān)聯(lián)式將是今后主要的研究方向。

1.1.2 內(nèi)、外翅片管

翅片管最早在20 世紀(jì)70 年代由美國(guó)人提出， 經(jīng)后人大量研究完善演變成了一種換熱元件。 翅片管能夠提高換熱效率的原因是其與普通的光管換熱器相比，換熱面積有所增加，且能起到一定的擾流作用， 在翅片上開(kāi)設(shè)擾流孔可進(jìn)一步提高換熱效率。 翅片管基本結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。

圖2 翅片管換熱器中翅片管基本結(jié)構(gòu)示意圖

在以往的研究中，大部分學(xué)者都忽略了片管式換熱器空氣側(cè)風(fēng)速不均勻性的影響，呂如兵應(yīng)用Fluent軟件得出了V形翅片管式換熱器空氣側(cè)空氣速度的不均勻分布情況，發(fā)現(xiàn)空氣在換熱器內(nèi)部的一些區(qū)域形成了渦流， 這些發(fā)現(xiàn)對(duì)于V形翅片管式換熱器的強(qiáng)化換熱提供了指導(dǎo)依據(jù)［9］。秦力峰分析了基管直徑、管中心距、排中心距、翅片間距和翅片厚度5個(gè)影響因素對(duì)翅片管換熱器的影響［10］，具體見(jiàn)表2。

表2 主要影響因素對(duì)翅片管換熱器換熱性能影響情況對(duì)比

由表2可知，選擇較小的翅片管直徑、合適的管中心距離、適當(dāng)增加排中心距離、較小的翅片間距，可有效提高換熱器性能，且從節(jié)約材料成本的角度考慮，選擇較小的翅片厚度較為合適。

1.1.3 改變換熱管束的布管方式

不僅換熱管束的尺寸大小和幾何形狀對(duì)其換熱效果有影響，其排列方式對(duì)傳熱也有較大影響。 一般換熱器管束有4種排列方式，分別為正三角形排列、轉(zhuǎn)角正三角形排列、正方形排列和轉(zhuǎn)角正方形排列（圖3）。 孫立勇通過(guò)數(shù)值模擬上述4種不同排列方式的換熱管束發(fā)現(xiàn)：正三角形排列結(jié)構(gòu)緊湊，傳熱面積大，冷熱流體通過(guò)管壁能夠充分換熱，但是由于這種緊湊的結(jié)構(gòu)使得殼程流體流動(dòng)空間相對(duì)較小，流動(dòng)阻力增大，在4種排列方式中壓降最大；轉(zhuǎn)角正三角形的排列方式相對(duì)整齊，形成了順排管束，降低流體流動(dòng)阻力，故壓降較小， 但是換熱效果不如正三角形排列管束，因?yàn)閬?lái)流與前端管束換熱后到達(dá)后端管束時(shí)溫度梯度有所降低，且換熱面積沒(méi)有正三角形排列大；正方形排列管束排列整齊，換熱面積小，所以換熱效果較差，但是流體流動(dòng)阻力小，壓降較低；轉(zhuǎn)角正方形排列呈45°間隔式，冷熱流體換熱效果與正方形排列相比有所增強(qiáng)［11］。

圖3 換熱管束排列方式

1.2 殼程強(qiáng)化傳熱技術(shù)

傳統(tǒng)管殼式換熱器的支撐結(jié)構(gòu)多為單弓形折流板，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造方便。 但殼程流場(chǎng)為“Z”字形，是典型的橫向流流場(chǎng)，該流場(chǎng)存在沿程壓降大、流動(dòng)死區(qū)大、傳熱效率低及結(jié)垢嚴(yán)重等問(wèn)題。 為此眾多學(xué)者對(duì)支撐結(jié)構(gòu)提出了許多改進(jìn)方法。

1.2.1 折流板

折流板一方面作用是支撐換熱器換熱管束，另一方面作用是增加殼程流體的流速和湍流強(qiáng)度，進(jìn)而提高傳熱系數(shù)。 葉萌發(fā)現(xiàn)在相同壓降下，折流板開(kāi)孔后換熱器總傳熱系數(shù)增大，且采用實(shí)驗(yàn)與數(shù)值模擬兩種方法證明了折流板開(kāi)口可以達(dá)到強(qiáng)化傳熱的目的［12］。 AMBEKAR A S等對(duì)管殼式換熱器進(jìn)行了單、雙、三、螺旋、花a型和花b型折流板結(jié)構(gòu)的CFD模擬研究， 證明花型折流板是最有效的折流板，且花b型折流板比花a型更有效， 因?yàn)槠鋵航到档偷脚c花a型折流板相同程度時(shí)，具有更好的換熱性能［13］。 花a型和花b型折流板結(jié)構(gòu)圖如圖4所示。

圖4 折流板結(jié)構(gòu)圖

折流板換熱器的強(qiáng)化換熱技術(shù)日益完善，新型折流板換熱器的提出主要是基于增大殼程流體湍流強(qiáng)度、提高對(duì)流換熱系數(shù)和增大換熱面積來(lái)提出的。 許偉峰提出一種變角度四分螺旋折流板結(jié)構(gòu)，變角度結(jié)構(gòu)體現(xiàn)在殼程進(jìn)口段螺旋折流板第1個(gè)螺旋周期的螺旋角上， 這種新型結(jié)構(gòu)有效解決了原本相鄰折流板搭接的不連續(xù)和三角區(qū)漏流現(xiàn)象， 并使流體在殼程的湍流強(qiáng)度增強(qiáng)，強(qiáng)化了換熱器的殼程換熱［14］。 MAAKOUL A E等采用數(shù)值模型計(jì)算比較了節(jié)段折流板、螺旋折流板和三葉孔折流板這3種不同折流板類型的管殼式換熱器的熱工水力性能，發(fā)現(xiàn)螺旋折流板的速度分布比節(jié)段式和三葉孔折流板更均勻，這將減少殼體內(nèi)部的死區(qū)和流體再循環(huán)區(qū)域，且與傳統(tǒng)的分段折流板相比，使用螺旋折流板能夠在傳熱和壓降特性之間提供良好的平衡［15］。 鄭志陽(yáng)提出了一種滴形管類梯形傾斜折流板換熱器，其換熱機(jī)理是提高了殼程流體對(duì)流換熱強(qiáng)度，較弓形折流板換熱器和簾式折流片換熱器的對(duì)流換熱系數(shù)提高10%左右， 并且這種新型結(jié)構(gòu)改善了流體速度與溫度梯度的協(xié)同性［16］。 王志鵬提出的新型垂直式斜折流片管殼式換熱器，其換熱機(jī)理主要是增大了換熱面積［17］。 當(dāng)流體流經(jīng)這種換熱器的折流片時(shí)會(huì)形成傾斜流動(dòng)，流體斜向與換熱管束接觸，不僅使換熱面積增大，且無(wú)明顯流動(dòng)死區(qū)。

1.2.2 百葉板

增設(shè)百葉結(jié)構(gòu)主要是為了解決傳統(tǒng)弓形折流板換熱器殼程壓降大和存在流動(dòng)死區(qū)的問(wèn)題。許曉紅提出雙殼程外螺旋內(nèi)斜百葉片管殼式換熱器（圖5），其外殼程采用螺旋折流板，流體呈螺旋流動(dòng)斜向沖刷管束，擾流作用加強(qiáng)，傳熱得到強(qiáng)化。 內(nèi)殼程采用斜百葉片折流板，起到導(dǎo)流作用，能夠減小壓降損失。 在相同質(zhì)量流量、單位壓降下，這種雙殼程換熱器傳熱系數(shù)比傳統(tǒng)弓形折流板管殼式換熱器平均提高24.4%［18］。

圖5 雙殼程外螺旋內(nèi)斜百葉片管殼式換熱器結(jié)構(gòu)圖

張媛媛提出了一種內(nèi)嵌百葉板結(jié)構(gòu)換熱器（圖6）［19］，該種內(nèi)嵌百葉板結(jié)構(gòu)使殼側(cè)流體由“Z”字形流動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)榱恕癦”字形流動(dòng)與圓弧形流動(dòng)共存的形式， 流動(dòng)死區(qū)與回流區(qū)面積有所減小，與弓形折流板換熱器相比，在同等流速時(shí)殼程流體壓降大幅降低，并且傳熱系數(shù)略微增大。 內(nèi)嵌百葉板結(jié)構(gòu)換熱器的各幾何參數(shù)對(duì)其流動(dòng)與傳熱性能的影響見(jiàn)表3。

圖6 內(nèi)嵌百葉板換熱器內(nèi)部結(jié)構(gòu)模型圖

表3 主要幾何參數(shù)對(duì)內(nèi)嵌百葉板換熱器換熱性能的影響對(duì)比

百葉角度指的是百葉片與折流板徑向夾角，百葉角度的改變主要影響的是殼程壓降，隨著百葉角度的增大， 相鄰百葉片間流體流通面積增大，進(jìn)而達(dá)到降低殼程壓降的效果。 百葉數(shù)量增多減小了流體通過(guò)百葉區(qū)的流通面積，使折流板兩側(cè)的速度梯度增大，殼側(cè)流體會(huì)在折流板背風(fēng)側(cè)形成滯留區(qū)，降低熱量傳遞效果，同時(shí)殼程壓降也有所增大。 增大百葉長(zhǎng)度，使流體在折流板迎風(fēng)側(cè)與背風(fēng)側(cè)的高差增大，流體在流經(jīng)百葉片后位能轉(zhuǎn)化為動(dòng)能，對(duì)換熱管束的沖刷作用有所增強(qiáng)，進(jìn)而增強(qiáng)了對(duì)流換熱效果。

1.2.3 折流桿

折流桿支撐結(jié)構(gòu)使流體縱向沖刷管束，增大了有效換熱面積，降低了殼程壓降，同時(shí)也減少了流動(dòng)死區(qū)。 折流桿式支撐是美國(guó)菲利普公司率先研發(fā)的，我國(guó)對(duì)于縱流殼程換熱器的研究在20世紀(jì)90年代才剛剛開(kāi)始。 折流桿換熱器結(jié)構(gòu)示意圖如圖7所示。

圖7 折流桿換熱器結(jié)構(gòu)示意圖

董其伍等通過(guò)理論探討和實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)縱流殼程換熱器的傳熱性能比折流板換熱器好［20］。馬雷等在折流桿換熱器的結(jié)構(gòu)上做出了改變，設(shè)計(jì)了一種新型的變截面折流桿式換熱器，在降低換熱流體流動(dòng)阻力的同時(shí)換熱綜合性能最多提高13%～14%［21］。胡崇舉將方形布管折流桿換熱器分成X、C、E3個(gè)流路來(lái)研究傳熱與流動(dòng)特性，利用Fluent進(jìn)行三維數(shù)值模擬，并通過(guò)Matlab多元線性擬合得到了阻力準(zhǔn)數(shù)關(guān)系式［22］。 陳洋衛(wèi)對(duì)折流桿換熱器25、38、76 mm的3種折流柵間距進(jìn)行數(shù)值模擬對(duì)比分析， 發(fā)現(xiàn)間距為38 mm時(shí)換熱器具綜合性能最佳［23］。 王新婷旨在通過(guò)增加殼程流速和流程長(zhǎng)度來(lái)大幅增強(qiáng)折流桿換熱器的殼程性能，提出了一種采用圓筒分程的雙殼程折流桿換熱器［24］。

殼程流體性能受管束結(jié)構(gòu)和支撐結(jié)構(gòu)兩個(gè)因素的影響。 表4為不同管束支撐結(jié)構(gòu)性能的對(duì)比，可見(jiàn)螺旋沖刷管束和縱向沖刷管束可提升傳熱效率。 通過(guò)以上調(diào)研發(fā)現(xiàn)，新型管束與類梯形傾斜折流板、內(nèi)嵌百葉板及折流桿支撐結(jié)構(gòu)的組合對(duì)殼程流體的協(xié)同導(dǎo)流作用效果較好，不僅能強(qiáng)化傳熱，還能減小流體流動(dòng)阻力。

表4 不同管束支撐結(jié)構(gòu)性能的對(duì)比

1.3 換熱介質(zhì)強(qiáng)化傳熱技術(shù)

伴隨著納米技術(shù)的蓬勃發(fā)展，納米流體——一些含有金屬和非金屬納米顆粒的膠體問(wèn)世。 納米流體之所以能夠強(qiáng)化換熱是因?yàn)槠浼{米級(jí)別尺寸的顆粒均勻分散，穩(wěn)定懸浮在基液中，使其具有較高的導(dǎo)熱系數(shù)。 DUANGTHONGSUK W和WONGWISES S研究了雙管換熱器中用TiO2-水納米流體作為換熱介質(zhì)后的傳熱和壓降特性，證明了在特定實(shí)驗(yàn)條件下，使用TiO2-水納米流體可提高換熱器換熱性能， 對(duì)流換熱系數(shù)增加了6%～11%［25］。HASHEMI S M和AKHAVAN-BEHABADI M A采用實(shí)驗(yàn)方法研究了恒熱流密度下水平螺旋管內(nèi)納米流體的換熱和壓降特性，證明納米流體替代基液雖提高了傳熱系數(shù)，但管的曲率也會(huì)導(dǎo)致壓降增強(qiáng)［26］。 MAHIAN O等在一篇關(guān)于納米流體熵產(chǎn)的綜述中指出， 低濃度的銅-水納米流體對(duì)殼管內(nèi)的總熵產(chǎn)生幾乎沒(méi)有影響，且使用納米流體可以減少層流狀態(tài)下圓管內(nèi)的熵產(chǎn)，因?yàn)樗鼈兛梢栽诹鲃?dòng)中分配熱量，從而降低局部溫度梯度，而局部溫度梯度在納米流體流動(dòng)的熵產(chǎn)中對(duì)摩擦損失起主導(dǎo)作用［27］。根據(jù)KUMAR P C M等的研究，在螺旋管中使用納米流體可以在管道中產(chǎn)生更強(qiáng)的二次流動(dòng)［28］。 第二流可以使納米顆粒適當(dāng)混合，同時(shí)避免顆粒濃度增加，從而提高傳熱速率和壓降。 JAFARZAD A和HEYHAT M M通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究垂直雙管換熱器環(huán)形空間內(nèi)氣泡和納米流體二者組合的強(qiáng)化傳熱性能，分析了它們對(duì)能量、壓降和火用效率的影響，并采用基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)-遺傳算法的雙目標(biāo)優(yōu)化方法， 在考慮火用損失的同時(shí)，確定確保強(qiáng)化傳熱的最佳設(shè)計(jì)參數(shù)集。 結(jié)果表明：組合方法將換熱器的能量交換效率提高了26.5%～92.5%［29］。 張文博在研究中指出CuO水基納米流體比SiO2、ZnO水基納米流體的強(qiáng)化傳熱效果好，且強(qiáng)化傳熱強(qiáng)度隨著納米流體體積濃度的增大而增大［30］。

通過(guò)以上調(diào)研分析可知，納米流體的強(qiáng)化傳熱技術(shù)應(yīng)用前景非常廣闊，越來(lái)越多的學(xué)者投入到了對(duì)納米流體的研究中。 使用納米流體代替?zhèn)鹘y(tǒng)換熱介質(zhì)雖然可以提升管殼式換熱器的換熱效率，但是也將面臨一些技術(shù)難題：納米流體制備工藝的改進(jìn)、保證納米流體與換熱器壁面不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的前提下?lián)Q熱器材料的選擇以及湍流狀態(tài)下納米流體的換熱特性等。

2 管殼式換熱器火用傳遞特性研究現(xiàn)狀

火用的本質(zhì)即為熱力學(xué)第二定律所涵蓋的“能質(zhì)” 概念，1956年，RANT提出新的名詞“Exergie” 來(lái)描述有效能。 1957年這一名詞傳入我國(guó)，王守泰和夏彥儒教授將“Exergie”譯為熱力學(xué)參數(shù)“火用”。 1985年SOMA J首次建立了火用傳遞方程。 1993年項(xiàng)新耀首次提出有關(guān)工程傳遞的基本概念。 換熱設(shè)備是能量傳遞和轉(zhuǎn)換的基礎(chǔ)，其換熱過(guò)程是典型的不可逆過(guò)程， 換熱器冷熱流在熱量交換過(guò)程中火用的轉(zhuǎn)換和傳遞有獨(dú)特的規(guī)律， 對(duì)于換熱器的合理設(shè)計(jì)和節(jié)能優(yōu)化是非常重要的。

雖然大多數(shù)換熱器都從能量問(wèn)題進(jìn)行優(yōu)化，但從能質(zhì)角度對(duì)換熱器進(jìn)行優(yōu)化的卻很少。 換句話說(shuō)，人們已經(jīng)提出了許多方法和關(guān)聯(lián)方法來(lái)評(píng)價(jià)換熱器的傳熱效率，但對(duì)于大多數(shù)換熱器的火用特性幾乎沒(méi)有可用的關(guān)聯(lián)式。 因此，需要進(jìn)一步研究其可用性和不可逆性概念。 POURHEDAYAT S等對(duì)殼程和管程分別使用影響火用損失的各種參數(shù)進(jìn)行敏感性分析，建立計(jì)算螺旋管流動(dòng)的無(wú)量綱火用損失的關(guān)聯(lián)式［31］。

袁曉鳳在2007年首次提出了換熱器的傳火用有效度、局部和平均傳火用系數(shù)及傳火用單元數(shù)等概念和計(jì)算公式，其中傳火用單元數(shù)意味著換熱器傳熱面積的大小，可使用這一參數(shù)對(duì)換熱器的傳熱效果進(jìn)行分析［32］。 傳火用系數(shù)是一個(gè)同時(shí)考慮傳熱和流阻的可用系數(shù)， 可用來(lái)計(jì)算能質(zhì)的損失，并對(duì)換熱器的傳熱性能優(yōu)化有指導(dǎo)意義。 文中還分析了污垢對(duì)換熱器火用傳遞過(guò)程的影響，污垢的存在對(duì)換熱器傳熱性能有兩方面影響，一是增大了換熱熱阻，降低換熱器的傳熱能力；二是增大了流體流動(dòng)阻力，使壓降增大。 這為分析污垢對(duì)能量傳遞過(guò)程的影響提供了一個(gè)新的方向，也為換熱器的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了理論指導(dǎo)。

耿士敏通過(guò)建立數(shù)學(xué)模型得到了換熱器的溫度分布， 進(jìn)行傳遞計(jì)算后得到了火用傳遞系數(shù)，再通過(guò)分析各因素對(duì)火用傳遞系數(shù)的影響，得到了一些提高換熱器的換熱性能的方法（表5），為優(yōu)化換熱器性能提出了指導(dǎo)性的意見(jiàn)［33］。

表5 提高換熱器換熱性能的方法

POURHEDAYAT S等通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究了螺旋管式管殼換熱器中流體、熱力學(xué)參數(shù)和幾何參數(shù)對(duì)火用特性的影響［31］。發(fā)現(xiàn)火用損失隨管殼側(cè)流量的增加而增加，無(wú)量綱火用損失隨流量的增加而增加或減少，這取決于Cmin=Min{Ch=m·hcph，Cc=m·ccpc}，即冷流體升溫1 ℃或熱流體降溫1 ℃所需最小熱量。二者均隨螺旋管側(cè)入口溫度的升高和殼側(cè)入口溫度的降低而增大。 孫鑫采用多場(chǎng)耦合的方法，將流場(chǎng)、溫度場(chǎng)計(jì)算結(jié)果代入到換熱器結(jié)構(gòu)計(jì)算中［34］。 針對(duì)這一想法，可以采用多場(chǎng)耦合的方法，展開(kāi)對(duì)換熱器火用傳遞過(guò)程的研究，深度分析多場(chǎng)耦合作用下?lián)Q熱器火用傳遞特性。

3 管殼式換熱器研究發(fā)展趨勢(shì)

管殼式換熱器的管程強(qiáng)化傳熱主要通過(guò)異型管來(lái)實(shí)現(xiàn)，其主要發(fā)展特點(diǎn)是增加管程的換熱面積，或在靠近壁面的部分換熱流體受異型管的引導(dǎo)形成局部二次流， 增強(qiáng)流體的湍流強(qiáng)度，進(jìn)而達(dá)到強(qiáng)化管側(cè)傳熱的目的。 而對(duì)于殼程強(qiáng)化傳熱技術(shù)的發(fā)展，主要呈現(xiàn)兩個(gè)方面的特點(diǎn)：一是使殼程內(nèi)流體流動(dòng)由橫向變?yōu)榭v向， 減小壓降，增大換熱面積；二是支撐結(jié)構(gòu)向著低流阻、低投資、方便制造的方向發(fā)展。 此外，納米流體近些年應(yīng)用廣泛， 用來(lái)替代基液可提高傳熱系數(shù)和壓降， 因此應(yīng)該增加對(duì)納米流體強(qiáng)化傳熱的研究。對(duì)于今后管殼式換熱器強(qiáng)化傳熱技術(shù)的發(fā)展的方向，可以考慮高效傳熱效果的異型管束、高傳熱系數(shù)的納米流體、低流阻和高效傳熱的殼程支撐結(jié)構(gòu)三者相結(jié)合的復(fù)合強(qiáng)化傳熱技術(shù)。

目前，對(duì)管殼式換熱器進(jìn)行火用傳遞的研究少之又少，筆者認(rèn)為未來(lái)管殼式換熱器火用傳遞的研究可以從以下三方面展開(kāi)：

a. 利用數(shù)值模擬軟件得到相應(yīng)的溫度、壓力場(chǎng)分布后，計(jì)算不同影響因素變化條件下各環(huán)節(jié)間的火用傳遞有效度和平均火用傳遞系數(shù)，對(duì)于強(qiáng)化管殼式換熱器傳熱效率有一定的指導(dǎo)作用。

b. 多場(chǎng)耦合作用下管殼式換熱器的火用傳遞研究，如溫度場(chǎng)與壓力場(chǎng)的耦合作用。 運(yùn)用非平衡態(tài)熱力學(xué)有關(guān)理論和方法，建立耦合作用下管殼式換熱器火用傳遞唯象方程。

c. 結(jié)合唯象方程，從火用阻角度研究調(diào)節(jié)和控制火用傳遞過(guò)程的有效機(jī)制，揭示不同形式火用之間轉(zhuǎn)換、傳遞的動(dòng)力學(xué)機(jī)理。

4 結(jié)束語(yǔ)

換熱器特別是管殼式換熱器在石油化工領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。 增強(qiáng)管殼式換熱器的換熱效果對(duì)國(guó)家節(jié)能減排政策和“碳達(dá)峰”、“碳中和”的目標(biāo)具有重要意義。 隨著強(qiáng)化傳熱理論的不斷發(fā)展，越來(lái)越多的新型高效換熱器被提出，筆者通過(guò)對(duì)管程、 殼程和換熱介質(zhì)3個(gè)方面強(qiáng)化換熱技術(shù)的發(fā)展進(jìn)行分析，總結(jié)了強(qiáng)化傳熱特點(diǎn)，并提出了未來(lái)的管殼式換熱器將會(huì)朝著高效傳熱效果的異型管束、高傳熱系數(shù)的納米流體、低流阻和高效傳熱的殼程支撐結(jié)構(gòu)三者相結(jié)合的復(fù)合強(qiáng)化傳熱技術(shù)發(fā)展方向。 而對(duì)于管殼式換熱器火用傳遞的研究是關(guān)鍵的一步，運(yùn)用非平衡態(tài)熱力學(xué)有關(guān)理論和方法，研究多場(chǎng)耦合作用下管殼式換熱器的火用傳遞的特點(diǎn)，從能質(zhì)角度分析其在傳熱過(guò)程中的薄弱之處并加以改進(jìn)，對(duì)換熱器強(qiáng)化傳熱技術(shù)有一定的指導(dǎo)作用。