高校科技成果尽在科转云

热管是一种具有极高导热性能的传热元件，它通过在全封闭真空管内工质的蒸发与凝结来传递热量，具有极高的导热性、良好的等温性、冷热两侧的传热面积可任意改变、可远距离传热、可控制温度等一系列优点。由热管组成的换热器具有传热效率高、结构紧凑、流体阻损小等优点。由于其特殊的传热特性，因而可控制管壁温度，避免露点腐蚀。目前已广泛应用于冶金、化工、炼油、锅炉、陶瓷、交通、轻纺、机械等行业，进行热回收以及综合利用工艺过程中的热能，为企业获取了显著的经济效益。南京工业大学自1976年开展热管技术研究，是国内最早从事热管技术研究的单位之一，在国内外享有很高的声誉。1990年，国家科委在组织全国专家答辩的基础上，将我校的“碳钢---水热管技术”列入国家首批重点成果推广计划项目，一九九四年 “中、高温热管技术”再次列入国家重点成果推广计划项目。 一九九七年国家科委以我校为技术依托，正式命名组建“国家热管技术研究推广中心”，这个中心也成为热管技术领域国家唯一的研究推广机构。

本发明公开了一种双壳程折流杆管壳式换热器，包括壳体及从左至右依次设置在壳体上的左封头、左管板、环形隔板、右管板和右封头，左封头和右封头分别密封安装在壳体的左右两端；左管板和右管板均密封安装在壳体两端的内侧；壳体内设有多根换热管；环形隔板密封安装在壳体内，其一侧安装有第一套筒；环形隔板与右管板之间还设有多个折流装置，每个折流装置均包括一折流圈和多根折流杆；左封头上设有第一管程进出口，壳体上设有第一壳程进出口和第二壳程进出口；左封头或右封头上设有第二管程进出口。本发明可以大幅度增加壳程流体流速从而提升换热器壳程的换热能力，同时有效控制阻力的增幅，尤其适用于油冷器等壳程流体黏度大流速低的场合。

在973项目（2013CB733500）资助下，开发出针对沼液体系的高效换热器，具有高对流换热、抗堵塞和抑制结垢特性，性价比高，已申请两项PCT发明专利。装置已经在南京工业大学江浦300M3沼气工程和3500M3河南天冠沼气工程得到了示范性应用，实际的运行表明：在牛粪体系固含量TS8.8%或者秸秆体系13%下，换热面积4M2时，换热系数K大于1000W/m2.K（Re>1000），长期连续运行，无堵塞，无明显结垢现象，换热效率达到瑞典使用管壳式沼液换热器的2.5倍。

地源热泵系统具有机组性能系数高、节能效果好、利用可再生能源、系统简单、运行费用低等优越性，是21世纪以节能和环保为特征的具有发展前途的绿色空调技术，地下换热器性能对地源热泵的整体性能起着决定性作用，因此测试地源热泵地下换热器换热性能对地源热泵设计、改性和评价至关重要。目前的现场测试需要很多仪器和设备，每测一个地下换热器，均需重新搭建试验台，且实验场地与实验室有一定距离，搬运如此多设备也非常不方便，浪费时间、浪费人力和财力。为改进这些缺点，本项目将地下换热器测试平台进行集成，并做成移动测试车的形式，对不同的地下换热器只需进行测点布置，即可快速进行测量。

可对各类型换热器（油冷、水冷、风冷）进行传热性能试验、耐久试验、脉冲试验、振动试验等测试，能有效保证制造产品的质量，并为换热器产品的性能优化积累基础数据。其中，热冲击性能试验台，能模拟换热器使用工况，在短期内预测出热交换器的实际使用寿命，从而为产品的寿命设计提供依据。我们研究团队从 80 年代起，就开始为该行业服务，积累了几十年的经验，先后为国内多家企业和科研单位设计制造了各种换热器性能测试装置数十套。在该方面获取多项专利，并参与了《内燃机 机油冷却器 传热性能试验方法》《内燃机 换热器 风洞试验装

换热器是石化等工业生产装置设备中的重要设备，在生产运行中由于腐蚀、冲刷等作用，使换热器造到破坏，使用寿命缩短，不仅造成严重的经济损失，而且影响生产的正常进行。 目前，国内已发展了多种碳钢换热器的保护技术，但这些技术仍存在各种不足之处，限制了这些技术的推广应用，碳钢换热器的保护仍然是一有待于发展的问题。例如，采用牺牲阳极保护可以延长碳钢换热器的使用寿命，但牺牲阳极保护的作用尽限于管子入口处的有限长度内，管内深处无法实现阴极保护，所以牺牲阳极保护法在换热器上的应用受到很大限制。近年来渗铝碳钢管束换热器在国内得到发展，收到较好的效果，但是管束与管板连接处（或焊接处）的保护问题至今没有很好解决，是渗铝碳钢管束换热器的薄弱环节，影响到它的使用寿命。近年来碳钢换热器的另一发展是对换热器进行整体化学镀镍磷，但是镍磷化学镀层是阴极性镀层，只能起机械隔离腐蚀介质的作用，一旦镀层局部出现缺陷，将构成大阴极小阳极，加速缺陷处的腐蚀，使保护效果并不十分理想。国内还发展了各种用于换热器的涂料，但这些涂料在换热器的维修吹扫中，往往剥落，保护作用有限。   换热器整体渗锌可以提高换热器的耐腐蚀、耐冲刷性能，有效地提高换热器的使用寿命，降低换热器的工业使用成本。 本技术针对换热器的具体结构特点研制的专门工艺，可减少投资，节约能源，降低成本。 换热器整体渗锌可以提高换热器的耐腐蚀、耐冲刷性能，特别是耐海水腐蚀性能，提高使用寿命3倍以上。

表面多孔高通量管是一种高效换热管，采用粉末冶金方法在光管 (沸腾侧) 内表面或者外 表面烧结一薄层多孔层，显著强化沸腾传热，对烷烃、烯烃、芳烃类、醇类、水、氟利昂、液 氮等多种工质均适用。沸腾传热系数可比光管提高一个数量级。 目前世界上主要由美国UOP公司实现技术与产品垄断，近3年国内进口约76台高通量管换 热器，约值人民币5亿元。 华东理工大学从1999年起开始研发烧结型表面多孔高通量管及其换热器，2003年成功申请 获得批准，联合中国石化扬子石油化工股份有限公司承担了中国石油化工股份有限公司科技开 发项目“高通量换热器国产化研制”。成功开发具有我国自主知识产权的烧结型外表面多孔换 热管，并制成高通量高效换热器，填补了国内空白。高效换热元件技术指标达到国际同类产 品技术水平，多孔表面管的换热效果最高可达光管的15.6倍，能显著提高换热管的强化传热效 率。 项目获得国家“十一五”863课题、国家高等学校博士点基金赞助和中国石化重大装备国 产化研制项目进行研究与技术开发，已经实现铜基粉末、铁基粉末、铜镍合金粉末表面多孔管 烧结工业化生产。建成世界第二 (国内唯一) 的产业化基地，具备年产1000吨烧结型表面多孔管 和制造100台高通量换热器的生产能力；产品达到国外同类产品先进水平，荣获“国家重点新 产品”和江苏“高新技术产品”证书。 目前华东理工大学已开发成功碳钢管、合金钢管、铜镍合金管内外表面烧结铁基合金 粉末、铜基合金粉末、铜镍合金粉末工艺技术，完成工业化烧结系统建设及批量生产。外表 面铜基粉末多孔管高通量换热器在扬子炼油装置气体分馏脱乙烷塔再沸器上成功应用。采用 93.4M2的高通量换热管替代了原122.7M2的光滑管，换热面积减少了27.5%，总传热系数从光滑 管的230W/M2℃升高到434 W/M2℃，提高了89%，设备负荷提高了16%，所需蒸汽温度降低了 23.7℃，节能效果显著。 内表面铁基合金粉末多孔管高通量换热器在扬子芳烃重整加氢预分馏塔再沸器上成功应 用。外表面铁基合金粉末多孔U形管高通量换热器在扬子芳烃歧化单元甲苯塔再沸器上成功应 用。 中国石油乌鲁木齐石化分公司100万吨/年对二甲苯芳烃联合装置高通量管重沸器6台。 其中苯塔重沸器、抽余液塔重沸器A/B、抽出液塔重沸器、脱庚烷塔重沸器计5台重沸器 (直 径φ1800～2200mm、单台换热面积大于1000mm2) 为立式虹吸式固定管板结构，管内塔釜液再 沸，管外热流体冷凝。采用φ32×3mm外表面刻槽、内表面烧结铁基合金粉末表面多孔高通量 管，4m长管2500根、5m长管9000根。抽余液塔蒸汽重沸器为卧式U形管结构 (直径φ2000mm、 换热面积1470mm2) ，管外塔釜液再沸，管内蒸汽冷凝，采用φ19×2mm外表面烧结铁基合金粉 末表面多孔高通量U形管2100根。

换热器网络作为热回收系统是石油化工和其他过程工程中不可或缺的部分，通过对换热器网络的系统最优化设计，可以最有效地利用物料本身带有的热量和冷量，从而达到节能和降低设备费用的效果。我校和汉堡工业大学联合研发的换热器网络最优化设计软件以混合遗传算法作为MINLP问题的基本求解器，并结合了多种进化策略，特别是提出了大规模换热网络的单性遗传算法的进化策略，使得设计软件能够有效地运用于流股数超过100股的大型换热器网络最优化设计问题，这是目前使用商用软件无法进行有效计算的。使用这一软件对文献中的许多经典算例进行了计算比较，大多获得了比文献报道的结果更优的换热网络设计，远远好于使用商业软件HEXTRAN得到的结果；对于大规模换热器网络，其年度总费用（投资费用与运行费用之和）的降低更为显著。 主要性能指标1．换热器网络的最优化设计所涉及的换热器包括加热器和冷却器的可选类型可以由用户自行增减； 2．可以使用多个冷热公用工程，软件自动选择最优的公用工程匹配；3．可以在用户子程序中根据实际设计要求自行设定最优化目标函数，加入禁止匹配、禁止分流、面积限制、换热器种类限制等多种约束条件；4.可以选择多种进化策略及不同的相关参数以检验计算结果收敛于全局最优解的可信度； 5.可用于流股数超过100股的大型换热器网络最优化设计； 可在个人计算机的windows环境下运行（带用户界面），也可在大型并行计算机的UNIX系统中运行（不带用户界面）。

相关成果获得国家发明专利 2 项，通过国家 863 项目的验收，测试发现紧凑 度是传统光管换热器的 12 倍，最大换热效能从 31%提升至 81%。为国内某钢铁公 司设计和制备的新型内外翅片管高温换热器已经通过现场测试，在设计工况下温 度效率比其现有产品的温度效率提高 10%以上。