文献综述
工程中，将某种流体的热量以一定的传热方式传递给他种流体的设备，称为换热器。换热器在化工生产、石油冶炼、食品加工等都有着非常广泛的应用，在生产中占有重要地位。换热器按照传送热量的方法可以分为间壁式、混合式、蓄热式三大类，按照传热壁面的形状，间壁式换热器又可分为管式换热器、板式换热器，夹套式换热器等。其中管壳式换热器结构简单、能够承受较高的压力、易于制造、造价低、容易清洗等优点，具有高度的可靠性和广泛的适用性，在工程所用换热设备中占据主导地位，其产量占了全部换热器的70%，产值占了60%[1]。
在造纸行业中，碱法制浆产生的黑液经过处理后，可以减少污染物的排放，有利于环境保护，并且可以回收利用一些原料。黑液在进行碱回收前进行预热处理对后续蒸发很有帮助[2]。一般采用管壳式预热器和螺旋式预热器对黑液进行预热处理，其中管壳式预热器使用更为广泛。
我国化工产业的换热设备以管壳式换热器为主，而且传统弓形折流板换热器占到总量的 70%～80%。在新的节能减排形势下，其缺点(压降大、存在大量流动死区、振动大、传热效率低等)严重限制了自身的生存和发展空间，同时也推进了强化传热理论和换热器的发展[3]。
强化传热技术是指能显著改善传热性能的节能新技术，其主要内容是采用强化传热元件，改进换热器结构，提高传热效率，从而使设备投资和运行费用最低，以达到生产的最优化[4]。新型换热元件与高效换热器开发研究的结果表明，管壳式换热器已进入一个新的研究时期，无论是换热器传热管件还是壳程的折流结构都比传统的管壳式换热器有了较大改变，其流体力学性能、换热效率、抗振与防垢效果从理论研究到结构设计等方面也均有了新的进步[5]。
近年来，国内外对于管程强化传热研究较多，取得了许多成果。归结起来不外乎两条途径：改变传热面的形状和在传热面上或传热流路径内设置各种形状的插入物[6]。而壳程强化传热主要有两种方式：一种方式是针对管程结构，通过改变换热管的表面形状或特性来增强换热；另种一种方式是针对壳程支承结构，即改变壳程折流板形状或者管束支撑结构来增强换热[7]。
换热管的强化传热发展,按照国际权威 Bergles 划分为三代: 第一代为光滑管或光滑通道；第二代为平翅片、二维粗糙元、二维肋片管；第三代为三维粗糙元、三维肋片管[8]。第二代强化换热管,如螺旋槽管、横纹管、缩放管、波纹管及翅片管等，国内外进行了大量的工作，对其流动和传热特性进行了广泛的研究，传热机理已经建立,制造工艺成熟，工程上已经获得广泛应用。第三代强化换热管：如针翅管、花瓣形管、斜针翅管等已被证实是更先进的传热技术，目前仍在继续发展中[9]。
从设计角度而言，方法粗糙、精度低是传统管壳式换热器制造成本和运行成本过大的原因之一[10]。国外对管壳式换热器设计开展了相关研究，其中影响最大的是 HTRI 和 HTFS 两家公司。但出于商业机密原因，设计方法一直没有公开[11]。
管壳式换热器的发展总体上是强化结构的发展，并随着强化方式的进步，其传热系数表现为连续提高的发展趋势，压降表现为不断降低的发展趋势，换热器的综合传热性能得到明显的提升[12]。
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