序言：

随着中国经济的高速发展，化石能源大量消耗，资源匮乏和环境污染问题变得日益严峻，中国政府高度重视能源和环境问题。为了应对这些能源和环境问题，政府制定出台了各种措施和对策。主要解决方法是：一是调整能源结构，发展可再生能源；二是提高能源利用率，节约能源，强化节能与环保的耦合。
自国家“十一五”以来，节能减排工作已成为国民经济发展的重要战略，特别是“十三五”末期，资源利用水平稳步提升，环境质量持续改善，绿色生产生活方式开始加快形成。2020年，以习近平同志为核心的党中央提出了力争2030年前实现碳达峰、2060年前实现碳中和的重大战略决策，这一决策事关中华民族的永续发展和人类命运共同体的构建。实现碳达峰、碳中和是一项多维、立体、系统的工程，涉及经济社会发展的方方面面。具体到工业过程就是需要节约能源资源、降低能源消耗、减少污染物排放。
据统计，石化、冶金行业工艺用能中热能的循环量约为转换输入热能的1.5~3倍，而绝大部分的热能循环是通过换热器来完成的，因此换热器是维持和推动一个工业过程正常运行的关键设备。在石油化工企业中，换热器的投资占工程全部投资的40%~50%，因此换热器的技术进步、合理设计和高效运行对企业增产节能十分重要。
强化传热技术作为一种显著改善换热装备过程传热性能的节能新技术，是企业实现绿色低碳发展和提升综合竞争力的有效途径。广义的强化传热策略可以分为全厂、工艺过程和设备元件3个层次。一般石油化工企业通过采用强化传热技术，其综合能耗、单元能耗、燃动能耗等平均值作为企业核心竞争力的指标都能得到显著提升。面向特殊工艺和介质的换热元件高效传热技术是换热器设计的重要内容，其主要特征是可以在有限传热空间内创造出更大传热面积、具有更高传热效率、更强的抗结垢能力及更好的安全运行稳定性。
近年来，中圣科技研究院研发的高效换热技术在各行业得到广泛应用，取得了很好的经济效益，获得众多科研人员、工程技术人员和生产管理人员的高度认可。本书编者带领的研发团队长期从事高效换热器的研发、设计及制造，有着近40年的从业经历，完成了高效换热器用特型管国家标准的制定，研发的高效换热器已销往全球，如BASF、BP、Shell及国内中国石化、中国石油、万华化学等大中型企业。高效传热技术的研发过程复杂、推广应用的链条长，工程技术人员及工业企业管理人员对匹配不同工艺需要的高效传热技术的深入系统了解，尤其是针对某种特定工艺环境高效传热技术的转化应用理解是十分必要的。因此，需要有一本专著，系统介绍更加复杂工艺场景化的高效传热技术及其工程应用案例分析，以此推动高效换热技术的应用精准性，达到助推增产节能减排的目的。
本书编者在书中介绍了高效传热技术的理论基础、技术原理及适用范围，重点介绍了各种高效换热技术的设计计算及各种高效换热器的制造、检验及工程应用案例，可为能源管理机构管理人员、企业节能管理人员、一线工程技术人员在现实工作中提供技术支撑，也可作为节能领域工作人员普及相关节能技术的辅导材料。

中国工程院院士
2023年5月

前言：

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。

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

目录：

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