李英利，陈 群，颜 康

(常州工程职业技术学院，江苏 常州 213164)

换热器在很多行业中应用广泛，由此引发的有关强化传热的问题也常被提及。考虑一台换热器的工作能力不能只单纯考虑其传热面积，在传热温度差一定的情况下，传热面积和总传热系数的乘积KA才能真正代表一台换热器的工作能力。传热面积和换热管尺寸有关，谈到换热管常用的尺寸(外径×壁厚)主要为Φ19 mm×2 mm、Φ25 mm×2.5 mm和Φ38 mm × 2.5 mm 的无缝钢管以及Φ25 mm×2 mm和Φ38 mm×2.5 mm的不锈钢管。标准管长有1.5、2.0、3.0、4.5、6.0、9.0 m等。采用小管径，可使单位体积的传热面积增大、结构紧凑、金属耗量减少、传热系数提高。据估算，将同直径换热器的换热管由Φ25 mm改为Φ19 mm，其传热面积可增加40%左右，节约金属20%以上。但小管径流体阻力大，不便清洗，易结构堵塞。一般大直径管子用于粘性大或污浊的流体，小直径管子用于较清洁的流体。

在TRIZ理论中，技术系统的功能模型可用一完整的物质-场(Substance—Field)三角形来表示。物场模型就是从功能角度对问题所处的最小限度的可工作技术系统的模型化描述。从标准解法中查询适用于这种模型的解法，就得到了解的模型。ltshuller认为，所有的功能都可分解为两种物质和一种场，即一种功能由两种物质及一种场，共三个要素组成[1]，分别是目标(有的书中称为对象)、工具和场，用字母S1，S2，F表示。一个完整的物-场模型如图1所示。

图1 具有完整期望的物场模型图

依据Altshuller发现的规律：如果问题的物场模型是一样的，那么解决方案的物场模型也是一样的，和这个问题来自于哪个领域无关。他一共发现总结了76个解模型，所以也叫76个标准解。按照问题的类型分为五级，建立起了标准解法系统。除了测量类问题之外，所有的皆可归类于以下四种：

(1)完成不完整的物场模型来解决问题。

(2)修改系统中现存的物质和场来解决问题。

(3)增加新物质、新场解决问题。

(4)转换至更高或更低的级别解决问题。

图2 TRIZ理论解决问题流程简图

图3 利用物-场模型与标准解(1)

从TRIZ理论所提供的一般解法或76个标准解法中选择一个或几个适合解决该问题的方案。需要注意的是，不要轻易排除可能的解，看似不适合的解可能会从另一个角度得到很好的运用。要充分挖掘和利用其他知识性工具。最后，可结合具体的领域知识，实现具体解，使问题得到解决。 图3或4所示为利用物场模型解决问题的流程图，该图明确地指出了设计人员如何运用物场模型实现创新。从图中可以看出，其中的分析性思维和知识性工具之间有一个固定的转化关系。

图4 利用物-场模型与标准解(2)

1 问题描述和解决过程

1.1 确定相关的元素

工程案例介绍[2]：根据某化工产品的生产装置中，混合液在分解塔中进行反应时，放出大量的热量，不能够及时移走这些热量的话，分解塔内温度将不断升高，会产生大量过量焦油，不仅使产品质量下降，而且堵塞管道造成事故。为维持该分解塔内88℃的恒定温度，可利用外循环冷却的方法，具体做法为采用一U型管式换热器(双管程列管式，双管程换热器多了一个管程，因此每程的换热管数量比单管程少了一半，也就是流通面积少了一半。所以在同样的流量下，管内的理论流速也就比单管程多了一倍。)，用冷却水(走管程)冷却混合液(走壳程)，所用换热器A的主要参数为：壳程直径为1 m ,双管程，换热管长2.5 m，规格为ø38×2.5 mm ，换热管数为370根，总传热面积测算过程如下，大约为110m2。

S=nπdL=370×3.14×0.038×2.5=110.37m2

该案例中，可确定S1为功能载体，列管式换热器；S2为接受动作的客体，冷热流体；F为热量场。

现将塔内温度降为60℃操作，要求冷却器的热负荷增至4×105kW/h。则问题出现了，该换热器不能满足变化了的条件，即：换热器自身的换热能力小于工艺要求的热负荷。

1.2 根据问题的情形，确定并完成最初的物-场模型绘制

本问题属于第3类模型，即效应不足的完整模型，3个元素齐全，但技术人员所追求的换热效果未能有效实现，其物-场模型如图5所示。

图5具有效应不足的物场模型图

1.3 选择物-场模型的一般解法

针对本问题属于第3类效应不足的完整模型，应用标准解法第2级中的23个标准解法和标准解法第3级中的6个标准解法。

1)技术人员首先选择了标准解法第2级中的第2个解法，双物-场模型。具体做法是原换热器不变，即传热面积S不变，增加了一台流量很大的泵，从而加入第2个易控制的机械场，使混合液循环量增加(走壳程)，将混合液循环量增加至原来的3倍，这样可以提高冷却器的传热系数K，而从理论上讲，根据Q=KSΔt，如果S和 保持不变，K值增加，传热速率Q也会提高。其物-场模型如图6所示。

图6 第一次改进的双物-场模型

但是结果发现，效果并不令人满意。A换热器的热负荷只是稍微提高了一些，并不能完全符合工艺要求，经后来分析原因在于技术人员没考虑到“循环量虽然增大了，但是K值却并没有大的改变”，具体测算过程如下：

可见对换热器A，管内冷却水和管外混合液雷诺数分别只有700和350，即都处于层流状态，用层流流动的公式计算对流传热系数，加上污垢热阻后的总传热系数仅为75W/m2·K，即使将混合液循环量增加至原来的3倍后，壳侧的雷诺数也仅为1000左右，对应的总传热系数仅为87W/m2·K，提高不大。

所以图6的物-场模型仍然是属于3个元素齐全，但效应不足的完整模型，技术人员所追求的换热效果仍然未能有效实现。

2)技术人员接下来选择了标准解法第2级中的第8个解法，构造物质。

S0=BD(1-d0/t)，其中S0是壳程流体流通面积，B为折流板间距，d0为传热管外径，t为传热管间距，D为壳体内径。

S=nπdL=1234×3.14×0.025×3=290.75 m2

但是结果发现，效果并不令人满意。B换热器的热负荷还不如A换热器，更加不能符合工艺要求，其原因是：虽然A、B两换热器的传热面积都不小，后者更大一些，但是这是以直径很大的壳内安置过多的换热管来获得的，这使得该换热器管程和壳程的流通截面积都很大，在流量一定的情况下，由流体连续性方程可知，流速变低，故换热管两侧的对流传热系数下降，故主要原因在于技术人员没考虑到“S值虽然增大了，但是K值却变小了”。图3的物-场模型仍然是属于3个元素齐全，但效应不足的完整模型，技术人员所追求的换热效果仍然未能有效实现。

3)技术人员接下来重新利用标准解法第2级中的第8个解法，S2.2.6构造物质[1](P110)。

后来厂家在废品库里发现了两台小换热器壳程直径为270 mm，双管程，换热管长3 m，规格为ø38×2.5 mm，换热管数为48根。将两台小换热器串联使用技术人员称为换热器C。其物-场模型如图8所示。总传热面积测算过程如下，大约为37.5 m2。

图8 第三次改进的物-场模型

单台换热器传热面积为S=nπdL=48×3.14×0.038×3=17.18 m2

两台换热器总传热面积为2S=17.18×2=34.36 m2

通过计算发现，虽然换热器C的传热面积仅为换热器A的37.5%，但由于壳径小，管数少，管程和壳程流通截面积都较小，因而流速很高，管内外的传热系数分别可达450 W /m2·K，60075 W/m2.K，加上污垢热阻和足够的传热系数，总传热系数可达250W/(m2·K)以上，其KS值比换热器A和B的大，总传热系数计算过程如下。

由此可知，第二级主要是强化物-场模型，共4个子级，计23个标准解。而技术人员采用的S2.2.6构造物质“即通过使用异质物质、或固定物质、或可调节立体结构替代同质物质或无组织物质，以加强物质模型”。

1.4 进一步发展所得解的概念，以支持获得的最佳解决方案，重建物-场模型，从而达到系统的有效和完善

几经选择方案，直至最终确定，中间颇费周折，厂家最后采用了第三次改进方案，也引发技术人员不少思考。用C替代A和B的方案，用传热面积仅为37.5 m2的C取代了100 m2的A后，换热效果不但没有下降，反而有了大幅度的提高，生产能力相应的提高了75%，完全达到了改造的目的。

2 总结

(1)事实证明，考察一台换热器的能力，不能只看传热面积S，而应该综合看Q=KSΔt。当冷热流体的温差Δt一定时，就要看总传热系数和传热面积的乘积KS，而K和S之间往往有“此

消彼长”的关系：例如对于管程而言，S↑～管数↑～流通截面积↑～流速↓～管程的传热系数αi↓,即过大的S值，常常因为流体流量的不匹配，而导致过低的K值，最终使KS的值并未增加，换热能力并没有得到提升。另外在寻找解决方案的过程中，我们了解到换热器的传热面积与管壳程流速联系密切，流速增大流体湍流程度增大，管程侧对流传热系数增大(管程侧对流传热系数αi与ui0.8成正比)，壳程侧对流传热系数亦增大(壳程侧对流传热系数αo与uo0.55成正比)；流速增大，还可减少污垢在管子表面沉积的可能，管壁内、外侧表面上的污垢热阻Rsi、Rs0减小，从而使换热器总传热系数K值增大，换热面积减小，设备投资减少；但同时流体阻力增大，压力降增大，动力消耗增大，操作费用增大。由此可见，流速和压降密切相关，u和Δp是换热器设计的两个重要参数。

(2)而应用物-场模型寻找标准解可依据整体流程图，主要有四条路径：

第一条路径：利用第一级～第二级标准解改进不完整的、效应不足的和有害的系统以及向超级或微观级系统进化的标准解。

第二条路径：利用第四级标准解是专用于测量系统，它完全不是从检测与测量角度出发的，它通过铁磁粒子和场的应用使系统转换和演化而解决。

第三条路径：预测改变的时机 利用第三级标准解预测分支提供了一种描述系统改变可能性的方法，即使在系统没有明确需要改进的时候，这种方法依然可行。对于超系统或子系统，需要考虑最小改变或系统改变或两者都要考虑到。

第四条路径：利用第五级标准解简化和改善系统，使系统更加理想化。这是由于第一类到第四类标准解都需要引入新的物质或场，常常会使系统更复杂。

[1]杨清亮.发明是这样诞生的[M].北京:机械工业出版社,2009:88-95,110.

[2]丁忠伟.化工原理学习指导[M].北京:化学工业出版社,2006:81-82.

(本文文献格式：李英利，陈群，颜康.利用TRIZ物-场模型分析换热器的工程应用案例[J].山东化工,2018,47(7):90-92,98)