缠绕式换热器研发

王新霞（济南擎雷换热科技有限公司，山东 济南 250400）

缠绕式换热器研发

王新霞
（济南擎雷换热科技有限公司，山东 济南 250400）

摘 要：本文详细阐述了缠绕式换热器的优点，节省能耗。换热器是一种单体设备，它可以与其它设备组成一个系统。是化工及制药、石油能源等行业中应用最为广泛的单单体设备。据统计，换热器在整个设备市场上的份额可以达到30%。

关键词：缠绕式换热器；节能；特殊的结构设计

本技术利用欧文湍流抖振频率原理、声共鸣准则，最终设计出一款双螺旋反向缠绕的换热器，摆脱了传统换热器换热效率低、节能效果差以及容易结垢等弊病。

一、缠绕式换热器可以实现以下技术功能

（1）高流速功能。双螺旋缠绕式换热器壳体小流速高，设计流速可达4.5m/s，流体在壳内形成湍流，直角连接，使流体直接冲刷管壁，使流体全部参与换热。

（2）高换热率。该项目产品管程长，通常是壳体的几倍，不但有效地增加了单位体积内的换热面积，还能使介质在管内停留的时间更长，换热更充分，且管壁薄，只有0.6mm。

（3）适用高温高压的工作条件。这种新型的换热器耐温最高可以达到350℃，耐压可以达到1.6MPa，并且设备本身全部采用GB24511-2009标准规定的不锈钢材质，其独特的螺旋缠绕结构本身对热应力具有弹性的自补偿作用，有效避免了热应力的对换热管的损伤，不会由于压力和温度不稳定而引起换热管的变形。

适应性更强、更安全。

二、关键技术

（1）采用独创的双螺旋多层换热管紧密反向缠绕技术。

双螺纹缠绕式换热器层与层之间的换热管反向缠绕，每层缠绕因换热管的粗细不同，所采取的工艺手段和工艺参数也不同。本项目通过反向缠绕技术，对不同的缠绕工艺进行了参数设定，可以达到缠绕后换热管不变形、排列紧密有度、间隙最小和热能利用最大化。

（2）采用90度角连接结构设计，使换热器无结垢死角。

换热器的结垢是一个复杂的过程，它与温度梯度、水质情况、换热管材表面光洁度、流速、流动状态等因素都有关。在相同工况、水质的条件下，要使换热器降低结垢情况，只有从技术方面进行改进。双螺纹缠绕换热器从以下几方面进行了有益的探索：（a）换热管束采用双螺纹缠绕式结构。这一结构的设计使换热器内部形成湍流，这样使其内部降低了结垢的概率；（b）采用90度直角设计，这样流体会因压力形成的锤击会降低结垢的情况；（c）采用整体不锈钢材质，并要求其表面的粗糙度达到1.2μm，这样结垢不易附着在其表面；（d）在热交换过程降低其温度梯度，这样降低了结垢的概率。（e）双螺纹缠绕式换热器的设计流速达到4.5m/s，高流速使介质中的悬浮物及杂质不易附着在换热管的内外表面，这也是降低换热器结垢的主要因素。

由于双螺纹缠绕式换热器的优化设计，对于软化水，换热器不容易出现结垢的情况。根据已往的使用经验，对于中国大部分地区的水质而言，这种双螺纹缠绕式换热器在采暖机组中的清洗周期一般为3年左右。

（3）采用换热管最小间隙设计，利用两大原理准则，解决换热器管束振动问题。

本项目通过对换热器流体引发振动的各种工况的深入研究和计算，得出流体力的相位以及流体力的作用点作用位置对换热器管束响应之间的相互影响关系，由此对换热器进行以下设计：（a）双螺纹缠绕式换热器利用欧文（OWEN）湍流抖振频率准则原理，采用了换热管束层与层之间最小间隙的设计，这咱设计可有效消除湍流抖振现象，延长换热器的使用寿命。（b）双螺纹缠绕式换热器全部采用国标中规定的不锈钢材质，其最高承压能达到1.6MPa，最高耐温可达到350℃，不会由于压力和温度不稳定而引起换热器的变形；无需减温减压装置。（c）内部结构设计时考虑了声共鸣许用准则，有效抑制了声驻波震动现象。

双螺旋缠绕换热器利用欧文（OWEN）湍流抖振频率准则原理，应用了CFD（计算流体力学技术）、FEM（有限元技术），延长了换热器的使用寿命。同时选用优质的水泵、阀门管件，延长使用寿命，降低流体阻力。

（4）采用变频调控电能、电动温控阀自动控温的控制管理思路

以采暖系统中的控制为例，电机方面，集中供热系统中水泵是核心设备，水泵电机效率的好坏直接决定了集中供热采暖系统的电能耗量。所以提高水泵电机效率，减少电耗也是提高供热节能的关键所在。采用变频调控，可以实习那循环、补水的变频自动调节，提高利用效率，避免浪费，达到节能效果。

温度方面，采用电动温控阀自动控温，同时把供水温度时间细化，避免浪费，达到节能效果。例如：分时段供暖，即把供暖的时间自动细化，一天分为2~8个时间段，①住宅区大体分为四个时段，早6∶00~10∶00供水温度为90℃；10∶00~16∶00供水温度为80℃；16∶00~22∶00供水温度为90℃；22∶00~6∶00供水温度为70℃。②办公区大体可分为两个时段，7∶00~19∶00供水温度为90℃；19∶00~7∶00供水温度为50℃。上面一切全是自动运行，这样其节约蒸汽的效果十分可观，以办公区为例：他的凝结水温下降40℃，且达到了采暖效果，按上面公式计算，一个采暖季，节标煤为10284kg。

三、技术优势

（1）对传热性能进行了优化设计

在设计和选择换热器时，首先必须确定对换热器起决定作用的冷热流体的对数温度差。一般来讲，在换热量一样的情况下，温度差越大，换热所需的换热面积越小，但是在日常的使用中并不是冷热流体的温度差越大越好。如何在提高传热效率的同时，使冷热流体的能量充分交换，又尽量减少热能的损失，保证高效的换热，需要对换热器的结构进行详细的推敲和最优化的设计。

（2）结垢问题

据现有设备的使用情况，95%的普通列管式管壳换热器都存在不同程度的结垢问题，换热器一旦结垢，就会影响换热效果，那么传热效率也会下降，其下降幅度平均可达30~50%左右。除了给企业造成直接的经济损失之外，还会导致生产设备运行负荷过高，影响整个系统的运行能力。另外，换热器内部结垢还会引起流体的压力和阻力都增大，从而带来整个系统能量消耗的增加，缩短设备的清洗周期，增加公司的运营成本。

（3）换热器管束振动问题

换热器内的流体诱导振动能导致一些破坏现象：（a）相邻管间磨损。（b）连接处失效。（c）材料缺陷扩展。

参考文献

[1]TSG R0004-2009，固定式压力容器安全技术监察规程[S].

[2]GB 150.1~150.4-2011，压力容器[S]. [3]HG/T 20583-2011，钢制化工容器结构设计规定[S].

中图分类号：TQ051

文献标识码：A