高效节能换热器设计算法与软件开发

项目建议书

一、基本信息

1.所在学院：能源与动力工程学院

2.项目类型：高端装备及智能制造

二、项目概况

（一）项目背景

本项目源自于实地调研石化、钢铁、船舶等企业对换热器实际技术需求，属于行业共性问题。以化工厂的建设为例，换热器约占设备总投资的10-20℅；而在炼油厂中，换热器约占设备总投资的35-40℅。

现阶段高效节能的传热技术已经成为能源动力装备行业的瓶颈问题，目前市场常用换热器以管壳式换热器占据了换热器应用的70%份额。传统的管式换热器和板式换热器，存在设备体积大、能耗高、维修频繁、使用寿命较短，尤其在石化钢铁等领域复杂的工质会阻塞换热器，造成巨大的经济损失和安全隐患。同时，在换热器设计软件方面，主要由美国和英国两家公司垄断了换热器的设计服务。但是这两款设计软件都是基于传统的管壳式换热技术，无法进行新型的高效节能换热器的设计和优化。

（二）项目简介

本项目基于研究团队在高效传热技术领域的理论研究基础和实验数据积累，提供一种设计高效节能换热器（连续螺旋折流板管壳式换热）的软件。连续螺旋推流强化传热技术是本研究团队针对管壳式换热器提出新型技术，曾荣获国家科技发明二等奖，具有传热效率高、能耗低、使用寿命长和低噪声等优点。对标瑞士世界五百强企业ABB公司技术与产品，综合效率提高20%，能耗减少30%，寿命提高6倍；而且使用最广的两款换热设计软件（HTRI和HTFS）无法进行新技术的设计。团队申请了20多项中国和2项美国发明专利，形成本项目的专利池和技术壁垒。

（三）关键技术

该项目主要基于研究团队提出的来连续螺旋推流强化传热技术设计和优化技术，提高了换热器的效率和使用寿命；同时，由于市场上的高端换热器技术和设计软件被国外公司垄断，该项目能够有效推动高效换热设备的国产化，解决换热设备行业存在一些问题：

1.打破换热器设计软件的国际垄断。目前全球应用最广的两款设计软件是美国的HTRI和英国的HTFS，这两款软件的技术基础均是传统管壳式换热技术。但是本团队提出的新型高效的换技术是一套全新的技术路线，这两款软件均无法进行新型换热器的设计。因此开发基于新型换热技术的软件，能有效地推动高端动力装备行业的国产化，特别是军工装备的国产化。

2.显著提升换热器的换热效率。在压缩机油冷却器，将弓形折流板管壳式换热器由连续螺旋折流板管壳式换热器替代，在基本结构相同的前提下，换热量增加10%左右，壳侧换热系数提高45%左右，同时熵产数减小30%，有效能损失减少68%，大大改进了原有压缩机油冷却器的冷却效果。同时在某空调的水冷机组上也开展相应的测试，经合肥通用机械研究院检测表明，在其他部件不做任何改动的情况下，可使机组能效比(COP)提高6.3%。

3.大幅提升的换热器的使用寿命。新型换热器采用连续螺旋折流板的设计，通过改变换热器的内部结构，能够有效克服传统弓形板换热“流动死区”和污垢沉积的问题；同时还降低了换热器的日常维修频率。大庆油田使用本团队设计的新结构换热器，创造了设备连续运行6年无维修的记录

（四）项目团队

1.技术负责人

本项目技术提供方为西安交通大学能源与动力工程学院曾敏教授所在团队，团队荣获2015年度国家科技发明二等奖，2017年度国家科技进步创新团队奖。本项目技术已授权中国发明专利24项，美国专利2项，软件著作权6项。项目团队在高效节能换热器领域承担包括国家“十三五”国际合作重大专项研究，并且该项成果持续为中船集团和鞍钢集团等企业提供技术服务，达到国际领先水平。

2.创业团队

由技术负责人组织团队内成员成立创业团队，或委托团委等相关单位组织有创业意愿且有能力的学生组建创业团队，主要包括王秋旺教授及相应的成员。本项目已经获得包括第五届中国“互联网+”大学生创新创业大赛全国总决赛金奖，挑战杯全国银奖等诸多国家级创新创业竞赛荣誉。创业团队和本项目技术获得包括中国青年报和华商报的报道；团队成员曾向孙春兰副总理汇报项目进展和技术优势。本项目团队和技术也获得不同地方政府和诸多投资公司的关注。

（五）当前状态/技术成熟度

目前技术成熟度8级。本项目的新型换热技术已经成功在石化和船舶领域进行了小规模工业应用，为一些著名国企和研究所（中船和鞍钢集团等）提供了小批量和定制化服务。需要将新型技术与不同的垂直领域进行融合，优化设计过程，缩短设计时间，开发成熟的商业设计软件，拓宽新型换热器设计技术在不同工业领域的应用，实现批量化和快速化的换热器的设计，往标准化、工程化和大规模设计软件服务阶段进行推进。

（六）后续规划

该项目获得本阶段资金支持后，基于本团队获得的国家技术发明奖的连续螺旋推流强化传热技术研究，通过将前期积累的设计数据进行分类，针对船舶、化工和钢铁产业中换热器设计和优化过程中的共性问题进行提炼，开展新型结构换热器设计算法和软件开发，为后续工程化阶段工作提供支撑。

获得后续资金支持后计划与钢铁和石化等企业进行合作，逐步完善设计软件的功能，推动新型换热器设计技术在各个垂直行业的应用。

（七）应用市场

换热设备是石化、冶金、船舶、机械、食品、制药等行业中实现热量传递的核心设备。此外，核电常规岛核岛、风力发电机组、太阳能光伏发电多晶硅生产等领域都需要大量的专业换热器。2018年全球市场换热器销售额达7800亿元，其中中国市场的销售额1365亿元，预计到2021年我国换热器产业销售规模有望达到1800亿元。目前工业换热器设计软件是由美国的HTRI和英国的HTFS垄断。本项目产品能够有效实现进口替代，填补国内市场空白。

（八）风险分析

1.技术存在一定的产业化风险，现阶段还需专家团队对换热器行业进行深入了解，逐步将新型结构的设计推广到换热器各个垂直应用领域。但团队前期已经与换热器产业上下游的典型企业进行对接交流和合作，后期联合推广本技术产品。

三、结论

该项目在连续螺旋折流板管壳式换热已经形成了技术壁垒，布局了专利，市场空间较大，高端动力装备行业的发展方向。建议通过种子基金进行引导，分阶段推进，逐步实现预期目标。

高效节能换热器设计算法与软件开发

项目建议书

一、基本信息

1.技术负责人：曾敏

2.创业团队负责人：暂无

3.所在学院：能源与动力工程学院

4.项目类型：高端装备及智能制造

二、项目概况

（一）项目背景

本项目源自于实地调研石化、钢铁、船舶等企业对换热器实际技术需求，属于行业共性问题。以化工厂的建设为例，换热器约占设备总投资的10-20℅；而在炼油厂中，换热器约占设备总投资的35-40℅。

现阶段高效节能的传热技术已经成为能源动力装备行业的瓶颈问题，目前市场常用换热器以管壳式换热器占据了换热器应用的70%份额。传统的管式换热器和板式换热器，存在设备体积大、能耗高、维修频繁、使用寿命较短，尤其在石化钢铁等领域复杂的工质会阻塞换热器，造成巨大的经济损失和安全隐患。同时，在换热器设计软件方面，主要由美国和英国两家公司垄断了换热器的设计服务。但是这两款设计软件都是基于传统的管壳式换热技术，无法进行新型的高效节能换热器的设计和优化。

（二）项目简介

本项目基于研究团队在高效传热技术领域的理论研究基础和实验数据积累，提供一种设计高效节能换热器（连续螺旋折流板管壳式换热）的软件。连续螺旋推流强化传热技术是本研究团队针对管壳式换热器提出新型技术，曾荣获国家科技发明二等奖，具有传热效率高、能耗低、使用寿命长和低噪声等优点。对标瑞士世界五百强企业ABB公司技术与产品，综合效率提高20%，能耗减少30%，寿命提高6倍；而且使用最广的两款换热设计软件（HTRI和HTFS）无法进行新技术的设计。团队申请了20多项中国和2项美国发明专利，形成本项目的专利池和技术壁垒。

（三）关键技术

该项目主要基于研究团队提出的来连续螺旋推流强化传热技术设计和优化技术，提高了换热器的效率和使用寿命；同时，由于市场上的高端换热器技术和设计软件被国外公司垄断，该项目能够有效推动高效换热设备的国产化，解决换热设备行业存在一些问题：

1.打破换热器设计软件的国际垄断。目前全球应用最广的两款设计软件是美国的HTRI和英国的HTFS，这两款软件的技术基础均是传统管壳式换热技术。但是本团队提出的新型高效的换技术是一套全新的技术路线，这两款软件均无法进行新型换热器的设计。因此开发基于新型换热技术的软件，能有效地推动高端动力装备行业的国产化，特别是军工装备的国产化。

2.显著提升换热器的换热效率。在压缩机油冷却器，将弓形折流板管壳式换热器由连续螺旋折流板管壳式换热器替代，在基本结构相同的前提下，换热量增加10%左右，壳侧换热系数提高45%左右，同时熵产数减小30%，有效能损失减少68%，大大改进了原有压缩机油冷却器的冷却效果。同时在某空调的水冷机组上也开展相应的测试，经合肥通用机械研究院检测表明，在其他部件不做任何改动的情况下，可使机组能效比(COP)提高6.3%。

3.大幅提升的换热器的使用寿命。新型换热器采用连续螺旋折流板的设计，通过改变换热器的内部结构，能够有效克服传统弓形板换热“流动死区”和污垢沉积的问题；同时还降低了换热器的日常维修频率。大庆油田使用本团队设计的新结构换热器，创造了设备连续运行6年无维修的记录

（四）项目团队

1.技术负责人

本项目技术提供方为西安交通大学能源与动力工程学院曾敏教授所在团队，团队荣获2015年度国家科技发明二等奖，2017年度国家科技进步创新团队奖。本项目技术已授权中国发明专利24项，美国专利2项，软件著作权6项。项目团队在高效节能换热器领域承担包括国家“十三五”国际合作重大专项研究，并且该项成果持续为中船集团和鞍钢集团等企业提供技术服务，达到国际领先水平。

2.创业团队

由技术负责人组织团队内成员成立创业团队，或委托团委等相关单位组织有创业意愿且有能力的学生组建创业团队，主要包括王秋旺教授及相应的成员。本项目已经获得包括第五届中国“互联网+”大学生创新创业大赛全国总决赛金奖，挑战杯全国银奖等诸多国家级创新创业竞赛荣誉。创业团队和本项目技术获得包括中国青年报和华商报的报道；团队成员曾向孙春兰副总理汇报项目进展和技术优势。本项目团队和技术也获得不同地方政府和诸多投资公司的关注。

（五）当前状态/技术成熟度

目前技术成熟度8级。本项目的新型换热技术已经成功在石化和船舶领域进行了小规模工业应用，为一些著名国企和研究所（中船和鞍钢集团等）提供了小批量和定制化服务。需要将新型技术与不同的垂直领域进行融合，优化设计过程，缩短设计时间，开发成熟的商业设计软件，拓宽新型换热器设计技术在不同工业领域的应用，实现批量化和快速化的换热器的设计，往标准化、工程化和大规模设计软件服务阶段进行推进。

（六）后续规划

该项目获得本阶段资金支持后，基于本团队获得的国家技术发明奖的连续螺旋推流强化传热技术研究，通过将前期积累的设计数据进行分类，针对船舶、化工和钢铁产业中换热器设计和优化过程中的共性问题进行提炼，开展新型结构换热器设计算法和软件开发，为后续工程化阶段工作提供支撑。

获得后续资金支持后计划与钢铁和石化等企业进行合作，逐步完善设计软件的功能，推动新型换热器设计技术在各个垂直行业的应用。

（七）应用市场

换热设备是石化、冶金、船舶、机械、食品、制药等行业中实现热量传递的核心设备。此外，核电常规岛核岛、风力发电机组、太阳能光伏发电多晶硅生产等领域都需要大量的专业换热器。2018年全球市场换热器销售额达7800亿元，其中中国市场的销售额1365亿元，预计到2021年我国换热器产业销售规模有望达到1800亿元。目前工业换热器设计软件是由美国的HTRI和英国的HTFS垄断。本项目产品能够有效实现进口替代，填补国内市场空白。

（八）风险分析

1.技术存在一定的产业化风险，现阶段还需专家团队对换热器行业进行深入了解，逐步将新型结构的设计推广到换热器各个垂直应用领域。但团队前期已经与换热器产业上下游的典型企业进行对接交流和合作，后期联合推广本技术产品。

三、结论

该项目在连续螺旋折流板管壳式换热已经形成了技术壁垒，布局了专利，市场空间较大，高端动力装备行业的发展方向。建议通过种子基金进行引导，分阶段推进，逐步实现预期目标。