缠绕管式换热器的特点与发展

周松锐　曹　蕾　王锦生

(东方电气集团东方锅炉股份有限公司，四川成都，611731)



缠绕管式换热器的特点与发展

周松锐曹蕾王锦生

(东方电气集团东方锅炉股份有限公司，四川成都，611731)

摘要

关键词：缠绕管式换热器缠绕管低温甲醇洗煤化工

缠绕管式换热器是一种结构紧凑的高效换热设备，其结构形式不同于传统的管壳式换热器，近年来已被广泛应用于煤气化废热回收、空气分离、氢液化、稀有气体分离、低温甲醇洗、液氮洗等领域。

1缠绕管式换热器结构[1-3]

缠绕管式换热器的结构如图1所示，主要由芯筒、外壳、换热管、垫条、封头、管板等组成，换热管布置于芯筒与外壳之间的空间内，按螺旋线形状逐层交替缠绕而成，相邻两层换热管的缠绕方向相反，两层换热管之间用金属垫条隔开，形成壳程流道。换热管一般采用外径为φ6mm～φ15mm的细管，可承受较高压力，因此管内一般走高压流体。换热管的缠绕角度为6°～20°。垫条一般为1mm～5mm厚的带状金属条。

缠绕管式换热器可分为单股流缠绕管式换热器和多股流缠绕管式换热器，如图2、图3和图4所示[2]，其中图4中的多股流缠绕管式换热器带有若干小管板。

缠绕管式换热器的结构发展主要体现在两个方面。一是换热管的表面形态的改变，如光管、螺纹管、翅片管等；二是换热管缠绕方式的改变，如套管式绕管、并管式绕管等。

2缠绕管式换热器的优点[4-6]

(1)结构紧凑，在单位容积内具有较多的换热面积，占地面积小，易实现大型化。

(2)可以实现多种介质同时传热。当需要同时加热或冷却几股流体时，采用图4所示的带有小管板的缠绕管式换热器可以很容易地实现多股流的热交换。

(3)换热系数高。缠绕管式换热器相邻两层换热管的缠绕方向相反，极大地改变了流体流动状态，使壳程流体形成强烈的湍流；由于换热管管内螺旋流动的强化作用，管程的传热膜系数也得到提高；另外还有垫条等部件对壳程的流动不断扰动，这三个方面的共同作用，使得缠绕管式换热器的传热性能得以显著提升。对于一般结构的气-气换热设备，其传热系数值约为75W/(m2·K)～365W/(m2·K)，但对于缠绕管式换热器，某些特定条件下，总传热系数可以达到500W/(m2·K)以上[5]。

(4)传热温差小，换热效率高。流体在管、壳侧流动接近逆流流动换热，达到所需换热量的传热温差较小，端面换热温差仅2℃。

(5)耐高压。由于管侧换热管直径较小，可承受较高压力，操作压力可以达到22MPa。

(6)补偿性好。换热管端存在一定长度的自由弯曲段，换热管的热膨胀可部分自行补偿，大大减小了换热管和管板之间因膨胀差产生的应力，可减小管板的设计厚度，同时减少了换热管与管板的焊接接头泄漏的可能性。

(7)不易结垢。换热管内流体呈螺旋流动，流道截面形成二次流。同时，壳程流体在各管层之间形成湍流，降低了流体对壁面的附着，不易结垢。

3缠绕管式换热器的缺点[7, 8]

(1)换热管易堵塞。换热管直径较小，易造成换热管堵塞，因而对管程介质应具有较高的的洁净度，介质在进入缠绕管式换热器前需经严格过滤。

(2)结构复杂，制造、检修难度大，价格昂贵。

(3)清洗困难。缠绕管式换热器的结构特点使得管程和壳程的清洗都比较困难，通常只能用化学方法清洗。

4缠绕管式换热器在国内的发展

近年来，随着国内煤化工行业的飞速发展，国内也开展了大量缠绕管式换热器的研究，例如：贾金才[1]用数值模拟方法研究了缠绕管式换热器壳程几何结构对换热的影响，重点研究了管径、径向比、缠绕角度、轴向比、盘绕圈数对传热性能的影响。李健伟等[9]利用ANSYS对实际缠绕管式换热器建立了管板结构分析有限元模型，分析了管板的应力场，明确了管板的应力分布及最大应力部位。根据应力分析结果对管板厚度进行了优化，达到了既减轻设备重量，又节约材料、降低成本的目的。尹接喜等[10]为了研究缠绕管式换热器中的并管结构的传热规律，对并管金属管壁的微元段建立热平衡方程，以管壁温度对称分布及通过两并管焊接结构的热量相等为边界条件，提出了并管传热模型。在以空气为工质的并管传热实验台上，测定了管壁温度,然后与模型计算管壁温度比较，验证了该传热模型的有效性。张周卫等[11]提出一种适用于双股流逆流型缠绕管式换热器的换热工艺计算方法，应用数值模拟方法确定双股流缠绕管束基本物理参数。按照双股流甲醇-甲醇缠绕管式换热器计算流程进行编程迭代计算，对比分析计算数据并建立双股流低温缠绕管式换热器管束模型。

因缠绕管式换热器的结构特殊、工艺性能计算复杂、制造难度大，目前国内还没有公开的通用软件可以设计和计算缠绕管式换热器，具备制造缠绕管式换热器能力的公司只有少数几家。

5结语

缠绕管式换热器虽然结构复杂、制造和检修困难、价格昂贵，但具有高效换热、结构紧凑、不易结垢、管束补偿性好、管内的操作压力高、可同时实现多股流的热交换等优点。随着新设计的提出和加工技术的改进，缠绕管式换热器有着更广阔的应用空间，特别是多种流体同时换热的场合、在小温差情况下取得较大换热量的场合，以及高压力操作的场合[3]。

参考文献

[1] 贾金才.几何参数对绕管式换热器传热特性影响的数值研究[J].流体机械, 2011, 39(8): 33-37.

[2] 陈永东,吴晓红,修维红,等. 多股流缠绕管式换热器管板的有限元分析[J]. 石油化工设备,2009,38(4): 23-27.

[3] 吴金星,李亚飞,张灿灿,等.绕管式换热器的结构形式分析及应用前景[J].压力容器, 2014,31(2):38-42.

[4] 吴志勇,陈杰,浦晖,等. LNG绕管式换热器结构与流通参数计算[J].煤气与热力,2007, 34(3): A34-A39.

[5] 李亚飞,毛文睿,张灿灿,等.缠绕管换热器的发展与应用[J].广东化工,2014,41(1): 131-132.

[6] 张贤安.高效缠绕管式换热器的节能分析与工业应用[J].压力容器,2008,25(5): 54-58.

[7] 李振勇,任世君,刘永强.缠绕管换热器泄漏的原因及处理措施[J].化肥工业,2012, 39(5): 49-51.

[8] 于清野.缠绕管式换热器计算方法研究[D].大连：大连理工大学,2011.

[9] 李健伟,曲萍,武艳芳,等.多股流绕管换热器管板结构分析[J].压力容器, 2013, 30( 5): 18-22.

[10] 尹接喜,李清海,施德强,等．缠绕管换热器并管传热模型及实验[J]．清华大学学报(自然科学版)，2000,40( 6): 73-75.

[11] 张周卫,薛佳幸,汪雅红. 双股流低温缠绕管式换热器设计计算方法[J].低温工程, 2014, 6: 17-23.

Features and Developments of Coil Tube Heat Exchanger

ZhouSongrui,CaoLei,WangJinsheng

(DongfangBoilerGroupCO.,Ltd.,Chengdu611731,Sichuan,China)

Key words:coil tube heat exchanger; coil tube; rectisol process; coal chemical industry

Abstract:The coil tube heat exchanger is a highly effective heat exchanging device with compact structure. With good tube bundle compensation, high operation pressure inside the tube and good heat exchanging of multi-flow, the coil tube heat exchanger is widely used in the fields of: gasification waste heat recovery, air separation, hydrogen liquation, separation of rare gas, Rectisol process, liquid nitrogen wash and coal gasification. This article focused on the structure, merits, demerits of the coil tube heat exchanger and the developments made both in China and abroad.

基金项目：四川省科技厅青年基金项目(No.2013JQ0047)

缠绕管式换热器是一种结构紧凑的高效换热设备，具有管束补偿性好、管内的操作压力高、可同时实现多股流的热交换等优点，广泛应用于煤气化废热回收、空气分离、氢液化、稀有气体分离、低温甲醇洗、液氮洗等领域。本文着重介绍了缠绕管式换热器的结构、优点、缺点以及国内的发展情况。