螺旋缠绕管式换热器设计方法研究文献综述

文献综述

一、研究的目的与意义

在炼油、化工生产中，绝大多数的工艺过程都有加热、冷却和冷凝的过程，这些过程，这些过程总称为换热过程。传热过程需要一定的设备来完成，这些使传热过程得以实现的设备就成为换热设备。使用换热器设备是为了达到加热或者冷却的目的，如果将那些需要加热或者冷却的流体，经过换热设备相互换热，即可回收热量，又可降低冷却水的消耗。

而其中尤以缠绕管式换热器，该产品是世界上比较先进的管壳式换热器之一具有传热系数高、占地面积小、维护保养方便等优点，可广泛应用于制药、食品、石油、化工、电力等领域。2011年该产品获得实用新型、外观设计等多项国家专利[1]，而我国对于缠绕管式换热器的自主研究尚不成熟，需要进一步探索创新。

二、国内外发展现状

1、国外发展现状

由于制造工艺和技术水平限制，早期的换热器只能采用简单的结构，传热面积小，

体积较大，笨重，如蛇管式换热器等。随着制造工艺的发展管壳式换热器的单位体积具

有较大的传热面积，而且传热效果很好，长期以来在工业生产中成为一种典型的换热器。

世界换热器产业高端产品主要集中在瑞典、美国、德国、英国、法国、日本等发达国家。

其中，瑞典阿法拉伐公司（AlfaLaval）是世界上最大的换热器生产企业，2009年换热

器产品的销售收入达到20亿美元，远远超过其他企业的换热器产品销售收入。瑞典舒

瑞普（SWEP)、英国APV、德国基伊埃（GEA）、德国风凯（Funke）、美国传特（Tranter）

、日本日阪（Hisaka）都是世界著名的换热器生产企业。欧美发达国家目前更多关注于

板式换热器，对于压力容器类的管式换热器产品，德国、英国等西欧国家已逐步退出生

产，在欧洲主要转向意大利。目前，世界管式换热器的生产重心逐步转移到以日本、韩

国、印度、中国等亚洲国家[2]。

2、国内的发展现状

中国换热器起步较晚。1963年抚顺机械设备制造有限公司按照美国TEMA标准制造出中国第一台管壳式换热器，1965年兰州石油机械研究所研制出我国第一台板式换热器，苏州新苏化工机械有限公司（原苏州化工机械厂）在20世纪60年代研制出我国第一台螺旋板式换热器。之后，兰州石油机械研究所首次引进德国斯密特（Schmidt）换热器技术，原四平换热器总厂引进法国维卡勃（Vicarb）换热器技术，国内换热器行业在消化吸收国外技术的基础上，开始获得较快发展。

20世纪80年代后，中国出现了自主开发传热技术的新趋势，大量的强化传热元件被推向市场，国内传热技术高潮时期的代表作有折流杆换热器、新结构高效换热器、高效重沸器、高效冷凝器、双壳程换热器、板壳式换热器、表面蒸发式空冷器等一批优良的高效换热器[3]。

缠绕管式换热器不仅是大型石油化工工艺过程重要的单元设备,而且还是一种节能设备,但由于该设备工艺计算复杂,制造难度极大,工程技术一直被国外林德等公司垄断,国产化进展较小。1997年以来,镇海炼化检安公司、合肥通用机械研究所、镇海炼化化肥厂三家单位联合攻关,开展了缠绕管式换热器国产化的一系列研究。从第一台甲醇换热器成功投入使用以来,已为国家十五重大装备国产化依托工程山东华鲁恒升化工股份有限公司大型氮肥国产化装置陆续制造了数台大型缠绕管式换热器,取得了初步成功。

螺旋缠绕管式换热器最早是由德国的林德公司于1895年制造，我国在20世纪70年代末在大化肥合成氨装置的低温甲醇洗工艺单元中引进使用，在大型空气分离装置的过冷器及液化器（液体氧、液体氨）中也得到广泛应用。但是我国当时没有完全掌握螺旋缠绕管式换热器的设计和制造工艺，不得不依赖国外进口，设备费用极其昂贵。目前国内企业对螺旋缠绕管式换热器进行了研究开发，并结合国内压力容器标准以及制药、食品、石油、化工、冶金、电力和纺织等行业的实际应用状况，推出了适合国内企业需求的螺旋缠绕管式换热器，并在市场应用中获得成功。

人民网潍坊7月14日电7月4日，记者采访了解到，2009年10月，山东豪迈机械制造有限公司成立了专门的研发团队，经过近两年的攻关，终于研发成功了螺旋缠绕管式换热器。此换热器不但填补了国内空白，还提高了热交换效率。2011年底，螺旋缠绕管式换热器正式投入生产，结束了中国依赖进口的历史。山东豪迈公司也成为中国独家自动化生产螺旋缠绕管式换热器的厂家[4-7]。

三、缠绕管式换热器的结构和换热机理

1、结构

图1　缠绕管式换热器的结构(单股流)

图2　缠绕管式换热器几何结构示意图

缠绕管式换热器由绕管芯体和壳体两部分组成(图1)。绕管芯体由中心筒、换热管、垫条及管卡等组成。换热管紧密地绕在中心筒上(图2),用平垫条及异形垫条分隔,保证管子之间的横向和纵向间距,垫条与管子之间用管卡固定连接,换热管与管板采用强度焊加贴胀的连接结构,中心筒在制造中起支承作用,因而要求有一定的强度和刚度。壳体由筒体和封头等组成[8-14]。

2、传热机理

螺旋缠绕管内的流体在弯曲通道内受到离心力的作用在流道的横截面上形成二次流。螺旋管的几何形状产生的离心力在流动截面上形成一对对称的漩涡，与主流叠加流体在螺旋管内形成螺旋运动，从而大大增加了换热效果，同时，二次流的冲刷使污垢不易沉淀。螺旋缠绕管式换热器的壳侧螺旋缠绕管缠绕方向逐层相反，缠绕角与纵向间距设计制造均匀，且管长相同。因此，随着螺旋缠绕管缠绕直径的增加，各层螺旋缠绕管的数量也相应增加。这些螺旋缠绕管组成管芯，在壳侧所形成的流道随圆周方向位置的不同而变化，相邻两个盘管呈直列、错列的变化，则流道构成变成为由螺旋缠绕管布置为直列、错列组合排列时的管外流动[15-19]。

四、缠绕管式换热器特点

结构紧凑,单位容积具有较大的传热面积。对管径8～12mm的传热管,每立方米容积的传热面积可达100～170㎡；可同时进行多种介质的传热；管内的操作压力高,目前国外最高操作压力可达21156MPa；传热管的热膨胀可自行补偿;换热器容易实现大型化[20]。

五、缠绕管式换热器的应用前景分析

1、缠绕管换热器的大型化

由于缠绕管换热器特殊结构设计,它封头小,管子可以长达数百米,目前已开发制造了一些大型的缠绕管换热器。随着装置的大型化,这种缠绕管换热器也要求不断大型化。而普通列管式换热器由于管子限制无法把换热器做大。

2、缠绕管换热器的高温化

缠绕管换热器具有高效的换热性能,但目前基本上应用于深冷装置。从2001年开始合肥通用所等企业开始研究应用于高温场合的缠绕管换热器,并于2002年在镇海炼化投用,这种换热器采用CrMo钢耐高温材料。经过几年运行,该换热器的性能完全达到使用要求,质量也较可靠。这种产品的成功应用,使得缠绕管换热器的应用领域大大拓宽,可以从低温应用转向高温应用,只要介质允许,在炼油行业也可以充分发挥绕管换热器的优点。

3、缠绕管换热器的高压化

缠绕管换热器目前多应用于壳程压力高,管程压力低的场合,一般壳程压力达到15.0MPa,而管程压力普遍小于5.0MPa。由于缠绕管换热器设计结构特点是管板小,壳程大,

两端入口封头小,该结构能克服普通高压换热器的弊病。普通高压换热器均采用浮头式

或U形管式,当压力提高,不仅壳体厚度加大,而且法兰的强度等级要大幅提高,一般的高压换热器如压力大于10MPa,当做到1.4m时,换热器将是非常庞大,法兰也非常厚。而且随着装置的大型化,高压换热器也需要不断扩大,这就给制造带来麻烦,如加氢裂化的锁

紧环式高压换热器,管程压力14.5MPa,壳程压力为18.5MPa,直径为1.4m,其中换热器的管箱重量就已达45t,制造非常困难,若改做浮头式换热器则很难保证换热器的密封等要求。因此,随着加氢装置的大型化,锁紧环换热器也要大型化,要向1.6m或1.8m发展,不但制造难度大,而且由于结构庞大,检维修将十分困难。而缠绕式换热器却可通过加长长度来增大面积,而两端的小管板使得连接法兰小,容易制造。目前国内一些单位正在进行研究,以缠绕管式换热器逐步替代炼油行业一些高压换热器,如加氢裂化和重整等装

置[21-25]。

4、缠绕管换热器的多股化

缠绕管式换热器由于其高效的换热性能,它在向大型化发展的同时,也正逐步向微型化发展。在一些空间受到限制的地方,常规换热器达不到热交换的要求,而采用缠绕管换热器能在同样空间可满足要求。正是由于这种良好性能,缠绕管换热器已在微型领域使用。图6是某军工产品使用的缠绕管换热器,由于该军工产品空间有限,经过反复比较,最终选择了这种产品,在有限的空间实现换热[26-28]。

六、缠绕管式换热器的经济考虑

投资省、设备重量轻、材料消耗少、节能减排明显、可靠性好、辅助设施简单。

参考文献：

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