圖書在版編目（CIP）數據
複雜通道中的傳熱強化問題研究 \/ 徐國想著.
南京 : 南京大學出版社, 2018.8
ISBN 9787305208102
Ⅰ. ①複…Ⅱ. ①徐…Ⅲ. ①傳熱學－研究Ⅳ.
①TK124
中國版本圖書館CIP數據核字(2018)第181873號
出版發行南京大學出版社
社址南京市漢口路22號郵編210093
出版人金鑫榮
書名複雜通道中的傳熱強化問題研究
著者徐國想
責任編輯戴鬆蔡文彬編輯熱線02583686531
照排南京理工大學資產經營有限公司
印刷虎彩印藝股份有限公司
開本787×960１\/16印張 10.5字數 156千
版次2018年8月第1版2018年8月第1次印刷
ISBN9787305208102
定價32.00元
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前言
隨著世界人口劇增、農村城市化步伐加快以及工業技術迅速發展，能源在任何國家的社會和經濟生活中已經起到了無可替代的作用，這導致了以能源為中心的環境、生態和社會經濟問題日益加劇。近年來，強化傳熱技術得到了迅速的發展，在能源的開發利用、節約及環保方麵起著重要的作用。
以硫酸工業為例，目前我國年產硫酸約2×107t，已成為世界上硫酸第二大生產國，硫酸需求還將進一步增加。僅製造換熱設備一項就需要鋼材約54000t，同時每年有近萬噸的硫酸氣體換熱器需要報廢，鋼材消耗很大；硫酸轉化係統是硫酸工業的核心，由於轉化段換熱氣阻高，直接導致了硫酸工業的能耗一直居高不下，按全國年產硫酸2×107t計，電耗約20億度。可見，對我國高能耗工業的節能降耗研究具有重要的現實意義。
本書對管殼式換熱器的熱阻進行了分析與估算，探討了分熱阻對總傳熱係數的影響。在此基礎上分析了各種強化傳熱的途徑。根據質量、動量、能量守恒和熱量傳遞微分方程，建立了傳熱與流阻的簡單數學模型。
本書建立了金屬肋棒的傳熱模型，導出了金屬肋棒上的溫度分布及肋棒效率計算式，並對板棒式換熱器的結構進行了優化設計。結果表明，當雷諾數較小時肋棒才可有效地起到強化傳熱的作用，且隨著肋棒直徑的減小強化傳熱作用增強；當板厚為3mm、操作雷諾數在1×103~5×103間，最佳的肋棒長徑比為2~3。根據優化分析結果，設計製造出板棒式換熱器的中試設備，在中試設備上進行了傳熱與流阻實驗，結果表明，板棒式換熱器是一種性能優良、結構緊湊的高效換熱器，並驗證了模型用於工業換熱器設計的可靠性。
本書提出了一種板翅式內部換熱緊湊型SO2轉化反應器。它兼顧了絕熱式反應器和連續換熱式反應器二者的優點，可實現節能、節材和環保的目的，並可節約大量操作費用。對翅片的強化傳熱進行了分析，對板翅往複流道中的氣體換熱及流阻特性做了實驗研究及理論分析，同時建立了板翅結構與傳熱及流阻間的數學關聯式，得到了優化設計數據。結果表明，翅高較小和操作Re數較低時翅片具有較高的傳熱效率。
石化行業是高能耗的行業之一，在石化行業應用的換熱設備占總投資的40％左右，動力消耗費用也很高。因此，在石化行業推廣使用新型強化換熱設備，將對實現石化行業節能增效有重要意義。螺旋折流板管殼式換熱器是一種性能優越的新型換熱器，菱形翅片管是一種較好的強化傳熱管，二者聯合使用時，可以得到很好的強化傳熱效果，特別適合於較高雷諾數下的傳熱強化，在石化行業有重要的開發應用價值。本書通過對螺旋隔板換熱器殼程進行流路分析和實驗研究，得到了傳熱和流阻關聯式，對該種換熱器的優化設計和進一步的推廣應用有重要的現實意義。本書分別研究了旋轉流和斜向衝刷兩種情況下的傳熱與流阻性能，並對兩種情況下的傳熱強化性能進行了評價。
前言
複雜通道中的傳熱強化問題研究
南理工：複雜通道中的傳熱強化問題研究二校樣開本：170mm×230mm版心：28行×33字文件路徑：B05F
複雜通道中的傳熱強化問題研究
第1章緒論
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第1章緒論
11文獻綜述
111能源資源現狀及節能的意義
能源常以以下形式存在：礦物核能、地熱能、化石燃料的化學能、太陽輻射能、海洋溫差能、潮汐能、生物能、江河水力能、風能等。能量實質上就是各種運動形式相互聯結、作用、轉化的唯一媒介和橋梁，而能量利用的本質則是人為的以自然發生的變化去促成人類所需要的變化。能源不但是人類社會生存與發展的最基本的物質基礎，而且是發展社會生產力的基本條件，能源利用程度是反映技術進步的重要標誌。
根據目前情況，人類使用的能源仍以化石能源為主，而世界上化石能源的儲量非常有限，根據目前能耗增長速度，如不加以有效控製，石油儲量僅可滿足人類25～38年的需要，天然氣能滿足30～55年的需要，煤炭能滿足50～200年的需要。隨著世界人口劇增，工業技術迅速發展，能源在任何國家的社會和經濟生活中已經起到了無可替代的作用。為了滿足不斷增長的能源需求，人類大量開采煤、油、氣等化石原料，陸續開發水能資源，並發展核能以及其他新能源，但總是供不應求，多次出現全球性或區域性的能源短缺現象，甚至導致嚴重的經濟危機與政治軍事對抗，與年俱增的能源消耗還對環境造成越來越嚴重的後果。因此，世界各國政府對能源問題越來越重視，充分認識到能源的重要性，能源的合理利用已成為當今世界各國應如何良性發展工業的核心問題。
自七十年代初中東石油危機爆發以來，世界各國大力開展節能工作，取得了顯著成效。法國在1973~1985年間，國民生產總值增長了29％，年增2.1％，而能耗隻增長了5.8％，年增0.5％，工業總能耗由1973年的5.827×107t石油當量下降到1985年的4.998×107t石油當量，下降了8.29×106t石油當量，折合標準煤1.2×107t，同期工業國民生產總值增長了15％。蘇聯1987年節能量達4×108~5×108t標準煤。以1973年為基準，1988年日本單位國民生產總值能耗下降了36.8％，一躍成為世界上能源利用率最高的國家之一，按單位國內生產總值的能耗（噸原油當量\/GDP百萬美元）與西方工業國對比如下：日本為266，意大利為325，法國為407，美國為436，加拿大為635。1988年日本主要產品的單位綜合能耗比較，噸鋼綜合能耗：日本100，法國117，英國120，美國141；噸水泥綜合能耗：日本100，西歐平均157，美國161。英國在大力推廣節能技術的同時，正著手建立供絕大多數企業使用的節能方法信息庫。但是，目前世界能源形勢依然十分嚴峻，國際能源委員會預測，與1990年相比，雖然到2010年世界能源利用熱效率大大提高，但能量消耗仍將增長48％。發達工業國家將能耗大的工業部門遷往發展中國家，將導致第三世界能源消耗繼續擴張，占總增加量的2\/3。其中，中國和東亞新興國家能源消耗年增長率為4.2％，增長幅度是全球的2倍。
我國是世界上人口最多的發展中國家，從能源總量上看，我國既是能源消費大國，也是能源生產大國。建國50年來，特別是改革開放以來，大力發展了多種能源工業，見表11。
表11中國1978~1998年能源主要數據
Tab. 11The China energy main datum in 1978~1998
項目
1978
1980
1985
1990
1995
1998
一次能源產量\/104tce
62740
63735
85546
103922
129034
124000
原煤產量\/108t
6.18
6.20
8.72
10.80
13.61
12.50
原油產量\/108t
1.04
1.06
1.25
1.38
1.50
1.61
天然氣\/108m3
137.3
142.7
129.3
153.0
179.5
223.0
發電量\/108kW·h
2566
3006
4107
6212
10070
11670
水電\/108kW·h
446582924126719062080
一次能源消費量\/104 tce
57144
60275
76682
98703
131176
136000
消費結構(％)
煤70.772.175.876.274.671.6
石油22.720.817.116.117.519.8
天然氣3.23.12.22.11.82.1
水電和核電3.44.04.95.16.16.5
人均能耗\/tce0.5940.6140.734
0.8701.0891.090
SO2排放量\/104 t――1303150223702090
煙塵排放量\/104 t――1323
132817441452
我國目前的能源消費麵臨以下的幾個難題。第一，雖然我國能源總量豐富，擁有世界第三大能源係統，但人均能源資源非常匱乏，油氣儲量相對不足。煤炭探明儲量在1×1012t以上，其中按國際標準的可采儲量為1.145×1011 t，占世界總量的11％，居第3位，但人均不及世界平均值的1\/2。水能理論蘊量達6.7×108kW，其中技術上可開發量為3.78×108kW，經濟上可開發的裝機容量為2.9×108kW，居世界首位，但人均隻有200 W左右。油氣資源探明總量均不夠大，石油預測資源量可達9.4×1010t，但目前累計探明儲量不足2×1010t，而且現在剩餘可采儲量僅為3.3×109t，僅占世界的2.4％，居第11位，人均石油探明可采儲量僅為世界平均值的11.6％。天然氣勘探程度很低，已探明可采儲量1.7×1012m3，占世界1.2％，居第19位，人均數量就更有限了。1996年人均年生活用能僅為0.146 tce，其中人均用電量為93.1 kW·h，遠遠低於發達國家水平。1993年我國已經成為石油淨進口國，1997年淨進口達3.3×107 t，已占到全國石油消費總量的20％，到2010年以後，如果勘探上沒有新的重大突破，我國的石油供應缺口將超過1×108t。能源的缺乏已嚴重地影響了我國的現代化進程，自1970年以來，受能源不足的影響越來越明顯，20世紀80年代由此帶來的經濟損失約為2000億元，不少地區由於燃料和電力不足，工業生產能力有25%～40％得不到發揮。我國正處於工業化初期，社會經濟形態正由勞動密集型向能源密集型過渡，在未來相當長的時期內，為保持較高的經濟增長速度，能源密集產業必須有很大發展，能源需求還將大幅度增長。我國是能源消費大國，進入20世紀90年代以後，每年一次能源的消費就超過1×109tce（噸標準煤），1995年以後每年生產和消費的原煤超過1.3×109tce，21世紀還將劇增，文獻應用了混沌動力學模型對未來能源消費進行了預測，見表12。
表12我國一次能源消費預測
Tab.12The consumption forecast of China fossil energy
年份1996200020102020
能源消費總量\/108tce
13.8916.93
27.7645.52
中國社科院數量經濟研究所建立了係統動力學和投入產出模型，采用分部門終端需求分析方法，進行了長期能源需求預測，模型考慮了人口增長、經濟增長和結構變化、技術進步、環境影響和能源安全等因素。預測結果表明：即使采用目前商業化的最先進技術，達到很高的能源強度下降率，至2050年一次能源需求仍將高達（34.4～41.5）×108tce，人均能耗仍處在較低的水平，約為2.3～2.7 tce，大致相當於目前世界平均水平。在這樣低的人均能耗條件下，要使全國人民過上富裕的生活，隻有設法從提高能源利用率著手。
其次，我國能源利用的質量很低，能源浪費情況嚴重。一次能源轉換電能的比例和電力占終端能源消費的比例過低，1996年隻有33.7％的煤炭用於電能的轉化，7.1％的石油消費用於發電，在終端能源消費中，電能僅占9.25％。同時能源浪費嚴重，目前我國產值能耗是世界最高的國家之一，表13列出了1990年我國和世界主要工業國的產值能耗比較。
表131990年我國和世界主要工業國能耗水平對比
Tab.13The contrasts of energy consumption level among China
and the main industrial countries in the world
國別
人均能耗\/tce
產值能耗\/（萬元GDP\/tce）
中國
0.870
5.25
美國
9.928
0.92
日本
4.415
0.32
德國
5.404
0.42
英國
4.991
0.55
法國
3.946
0.36
韓國
2.470
0.89
我國能源平均利用率現在隻有32％，比國外先進水平低10個百分點。我國能源消費情況極不平衡，工業用能比重超過70％，而且生產設備中存在許多“煤老虎”和“電老虎”，其中工業鍋爐熱效率隻有50％～60％，比國外低20~30個百分點。主要工業品能耗水平比發達國家要高40％～90％，如噸鋼可比能耗高出48.7％，噸乙烯能耗高出39％，即使情況較好的火電廠供電能耗比仍國外先進水平高1\/4，一年要多燒5000多萬噸標準煤。
第三，由於多年來對能源進行了不適當的開發利用，以能源為中心的環境、生態和社會經濟問題日益加劇。能源，特別是煤炭的生產和利用，無論對大氣汙染、森林資源減少等區域生態環境問題，還是全球變暖等全球性的環境問題，都是最重要的影響因素。我國是世界最大煤炭消費國，基於我國的資源結構和建國初期所製訂的經濟建設路線，幾十年來一直采取能源供應完全依靠國內的方針，從而在一次能源消費結構中煤炭比重過大，一直處於70％以上的水平，遠遠高於世界的27.2％的水平。能源供需結構中我國具有較豐富的水能和天然氣資源，而它們1996年在能源消費結構中分別占5.5％和1.8％。1995年煤炭消耗總量為12.712億噸，占全國總能耗的74.6％；1996年煤炭消耗總量為14.47億噸，占全國一次能源消耗量的74.7％。預計到21世紀中葉，國產化石燃料仍將是一次能源的主要來源，煤炭仍將是最重要的能源。以我國的煤質來說，燃燒1t煤，平均排放CO2 490kg，灰塵13.6kg，SO214.8kg。據國家環保局分析，我國大氣環境汙染80％是由於煤的燃燒引起的。以1995年為例，全國排放CO2 （6～7）×108t，其中85％來自燃煤；排放SO22.37×107 t，其中90％來自燃煤；排放煙塵1.744×107 t，70％以上也來自燃煤。近幾年雖然加大了整治力度，1998年全國仍排放SO2 2.09×107 t，煙塵1.452×107 t，汙染相當嚴重，如不進一步采取措施，2050年將增加一倍左右。
能源是發展國民經濟的重要物質基礎，能源短缺曾長期製約我國經濟的發展。由於改革開放以來不斷加強能源工業建設，近幾年短缺局麵基本緩解，但從目前的能源狀況來看，靠成倍增長能源供應的外延方式發展經濟，受到資金、資源、環境等因素的嚴重製約，越來越行不通；另一方麵，能源的浪費必將加劇能源短缺危機，大大削弱持續發展的能源基礎；而且從長遠看，能源供需形勢依然十分嚴峻。因此，合理配置國內外各種資源，加強清潔能源建設，提高能源利用率，將是今後一段時期我國能源發展的核心問題。而大力推進節能新技術，發展能源科技，全麵貫徹節約能源和保護環境的方針，則是實現能源可持續發展必不可少的前提。采用先進節能技術提高能效和節約能源，是在人均能源資源有限的情況下，推進現代化進程中能源戰略的優先選擇。首先，節能具有較高的經濟效益和社會效益。據有關部門研究表明，節能比開發少投資1\/3，節能成本僅為邊際能源供應成本的35％，並且降低單位產品能耗就是降低成本，從而增加了經濟效益；同時，還將產生巨大的社會效益，一次能源的儲量是有限的，節約每1t能源就意味著為後代多積累了一份財富，將來可以發揮更大的作用，從這個意義上來說，節約能源比開發能源更有意義。其次，我國是人均資源貧乏的國家，而且礦產資源回采力，比世界平均水平低10％~20％；資源綜合利用率低下，浪費嚴重。如果不發展科學技術，不提高能源利用率，仍以資源消耗型的生產方式發展經濟，將導致能源再次成為經濟發展的瓶頸。另外，我國與世界先進國家相比，節能具有巨大的潛力。目前，全國能源加工、轉換、儲運和終端利用率為32％，比國際先進水平低10個百分點。分析表明，1990～2010年，能源平均下降率約3.8％，2010～2020年為3.5％，2020～2050年為1.9％。據有關專家估算，僅技術改造節能一項，用國內已有的先進技術和設備更新落後的技術和設備，總的節能能力可達目前能量消費量的30％；如果全部用國際先進技術和設備替代現有的落後技術和設備，全部的節能潛力可達目前能量消費量的50％，而且尚未考慮管理節能、結構節能和政策節能等因素。第三，采用節能技術，還可以大大降低設備等原材料的消耗，提高經濟效益。我國原材料的人均占有量十分有限，鋼人均占有量隻有55kg，有色金屬人均占有量隻有1.92kg。從1981～1989年，累計進口鋼材1億多噸，用外彙360多億元，1995年鋼材缺口約為2.7×107t，2000年為4.7×107t，有色金屬也有很大缺口。采用節能新技術，可大大提高能源利用率，在生產能力不變的情況下，可以使設備體積大大減少，從而顯著降低鋼材等原材料的消耗。可見，大力研究和推廣應用節能技術具有重要的現實和戰略意義，節約能源是保護國家資源、緩解能源供求矛盾、保護環境的重要措施，是社會發展的根本之路。
1980年以來，我國重視節約能源成績顯著。1980年至1990年，能源強度年均降幅為3.6％，1991～1998年達4.7％。以1990年不變價計，1980年每萬元國內生產總值（GDP）產值能耗7.64tce，1995年降到3.98tce，下降了47.9％，按產值能耗計算，1981~1995年累計節約6.05億，不足的是其中由於加強管理和調整經濟結構的間接節能占2\/3，靠節能技術措施使單位產品能耗下降的直接節能僅占1\/3。九五期間計劃實現節能約3.3×108～3.6×108tce。十五是實現戰略三步走的關鍵時期，對能源的需求將快速增長，因而節能任務更為艱巨。20年來我國開發了大量節能技術，其中許多水平較高，效益顯著。如小合成氨蒸汽自給、水泥綜合節能改造、熱管、熱泵、空心環管殼式換熱器技術等。1982～1996年開發並公布了17批節能機電設備，推薦938種節能產品，並同時公布600多種淘汰產品，使我國節能技術有較大提高。但與發達國家還有較大差距，如我國目前轉爐煤氣回收水平為60～80m3\/t鋼，而國際水平為100～120m3\/t鋼，特別在高溫渣顯熱利用、中低溫餘熱發電等先進技術方麵，研究和開發節能新技術並推廣應用已成為當務之急。