一、研究背景

进入21世纪以后，能源短缺问题变得越来越严重。在这种情况下，人们更加重视新能源开发，不断探索新能源开发、利用的方法。中国核电江苏核电有限公司的闫鹏工程师认为：随着现代化工业的飞速发展，我们对能源的需求与日俱增，因此，我们不断研究了多种新型的管壳式换热器，并且已经广泛应用到了现在生活和工作中^[1]。尤其是管壳式热交换器（STHE）广泛用于各种工业领域，例如石油精炼，发电和化学过程，特别是核电系统^[2]。哈尔滨工程大学王鸾博士认为虽然管壳式换热器具有制造简单、生产成本低、工作可靠、承压能力高等鲜明优点，但是由于其传热性能不如板式换热器和板翅式换热器,使它的应用受到一定的限制^[3]。所以如何有效的改善管壳式换热器的传热性能就成人们一直所关注的焦点,强化传热则是其重要手段。

二、管壳换热器的结构

随着管壳式换热器的不断发展，市场上涌现出各种各样的管壳式换热器，其中具有典型代表的有双壳程结构、螺旋折流板式结构、高温高压密封结构以及双管板结构等。其中最常见的就是带有折流挡板的单管程E型壳体，介质流动方向为逆向流动，这种流向设计，可以充分利用温差效应，因此换热管尺寸最小。如果需要多管程，则需要对对数平均温差做出校正，以补偿因流体非完全逆流造成的误差，通常情况下，需要设计多壳程换热器。曾文良、李喜玉、邓先和等人对一种新型并流多通道进出口结构的壳程轴流管壳式换热器壳程局部传热性能进行实验研究。研究实验结果表明,分布挡板不但能够有效促进壳程流场和局部Nu的均匀分布,而且能够提高整体传热性能,且阻力增加较小^[4]。可见，在一些固定的场合，使用多壳程换热器能够有效地提高传热性能。

加氢装置的双壳程换热器也是在近10年发展起来的，范俊峰、杨泰旭、高生旺等人设计的加氢装置的双壳程换热器是在壳程筒体内设置了一个纵向隔板,这个隔板 将管束和壳程分为相互对称的两部分。从而实现"纯逆流",使温差校正系数接近于1,并使壳程介质的流速大大提高,以此来提高了总传热系数及换热效率^[5]。 这种换热器的技术含量比较高， 单台设备不仅可以实现传热，而且可以获得较好的传热温差；螺旋折流板式结构换热器可以达到连续的螺旋状流动，从而能够有效的达到降低壳侧的流动阻力及强化传热的目的，此外换热过程中径向温度变化明显，不适用高效率场合；双管板结构主要是由于这种结构有利于防止壳程介质串流，主要应用于两种介质的混合易引起燃烧和爆炸的场合，从而做到以安全为主。但是，这种加氢装置的双壳程换热器的一大主要缺点是其造价昂贵，投资成本较大。中国石化集团北京设计院侯革向工程师认为在加氢装置中 ,为了提高热能的利用 ,使用了大量的热交换器 ,其中大部分是在高温、高压和临氢条件下工作的 ,换热器的材质为 Cr-Ni 不锈钢或 Cr-Mo 抗氢钢 ,造价昂贵,因此提高这些设备的传热效率 ,使其处于最佳状态是十分必要的^[6]。此外，高压加氢装置处理进料时换热器换热效率会降低，中国石油克拉玛依石化分公司的工程师向长军、穆澎淘、易强、袁晓明等人查明了换热器换热效率降低的原因是高压加氢装置加氢原料品质逐年变差，工艺操作未严格控制原料过滤器的过滤操作造成管束堵塞。他们通过加强对原油的监管以及加强对管道的维修很好地解决了这一问题^[7]。

三、强化传热

随着管壳式换热器使用范围的增加，增加换热效率势在必行，而增加换热效率最好的方法就是强化传热。管程强化和壳程强化是最主要的两种强化方式，也是研究者不断钻研的方向。

3.1管程强化

许多研究者正在试图通过纳米流体来达到强化传热的目的。 Ming Pan, Igor Bulatov 等人最近对热传递强化的研究已经表明：使用管插入件是增强热传递同时减轻壳管式交换器中的结垢沉积，从而增加传热效果的有效方式^[8]。因此，这种强化技术已经用于过程工业中的热交换器网络（HEN）的改型。与大多数现有的研究假设恒定的抗污染HEN改造程序相比，Ming Pan, Igor Bulatov 等人提出一种新的优化方法来解决HEN改造问题的结垢效应。在新方法中，可以实施管插入件（管侧增强）以增加增强交换器的传热系数，并且应用实际详细的管侧结垢模型来计算每个热交换器中的管侧结垢阻力。