绕管式换热器的结构形式分析及应用前景

马凤艳

摘要：当前绕管式换热器在化工生产中得到了广泛的应用，并在其中发挥了不可或缺的重要作用，其不仅能够快速的适应恶劣的生产条件，还能自动消解运行中产生的热应力，且不存在流动死区。本文主要对绕管式换热器的结构形式进行了详细的介绍，对其工作效率的强化措施进行了深入的分析，并对绕管式换热器的未来发展趋势进行了探究，旨在为相关领域的应用提供更有价值的参考建议。

关键词：绕管式换热器；结构形式分析；应用前景

1.繞管式换热器的结构形式分析

1.1 结构构成原理

绕管式换热器（SWHE）与常规的列管式换热器比较具有较高的应用优势，其特殊的缠绕盘管结构不仅能够适应较广的温度条件，能够有效的抵抗热应力，而且具备较高的紧凑度可促使其流场充分发展，不存在任何的流动死角。在绕管式换热器结构中最为重要的是可利用多股管程的设置，实现在同一台设备内多股流体同时换热的功能。绕管式换热器主要在芯筒与外筒之间的空腔内将传热管以螺旋线交替缠绕的方式布置，而且相邻两层螺旋状传热管的缠绕方向是相对的，并在其中设置了定距件，使得两层之间能够保持固定的距离。

绕管可由一根管材缠绕构成，也可由两根或多根管材组合起来焊接后缠绕而成。管内只能流通一种介质的称之为单通道型绕管式换热器；管内可通过多种不同介质，且每种介质流经传热管后最终汇聚于管板上各自的区域，这种换热器被称之为多通道型缠绕管式换热器。其与常用的列管式换热器不同的地方在于，绕管式换热器的换热管有所增长，可确保物料有充足的空间进行流通和热交换，同时还要确保壳程内流体压力始终为此平衡，从而保证热能均匀的散布其中，如此一来就能促使换热效率、传热能力得到显著的提升。

1.2 绕管式换热器的技术特色分析

绕管式换热器具备的技术特色或者说技术的精妙之处主要有三点：精准的换热管间距、合理的管层数量及层间距、全自动化的机器人焊接流程。

（1）精准的换热管间距

绕管通常采用的材料为不锈钢管材，不锈钢材料容易产生冷作硬化，弯曲时具有各向异性，所以在进行弯曲或缠绕时是非常有难度的，同时还要确保所有换热管的间距保持一致，这无疑是难上加难，为此不仅需要在绕管加工过程中有先进的技术提供支持，还要有丰富的实践经验提供指导。而当前采用国外引进的高精度设备及缠绕工艺为绕管的生产奠定了基础。

（2）合理的管层数量及层间距

在换热管的缠绕过程中，每层对应管材的缠绕内径都在不断地变化，而且还要时刻保证缠绕角度的统一性，但是要保证所有换热管长度一致是极其困难的。而只要将每层设置不同数量的换热管，并确保层间距的合理性就能够有效的解决这一问题，同时还能完美化解复杂换热条件下的流道设置问题。

（3）全自动化的机器人焊接流程

在绕管式换热器生产过程中，基本上都是自动化控制操作，而且制备时均由全自动化机器人进行焊接操作，不仅保证了管板焊接的标准化、统一化，还为生产操作的安全性奠定了基础。

1.3 绕管式换热器应用优势分析

①绕管式换热器结构紧凑，其单位容积内的传热面积相对较大。如传热管的内径在8-12mm之间，那么每立方米容积的传热面积在100-170m2。②绕管式换热器可允许多种介质同时进行热量的交换与传递。③绕管式换热器管内可允许的操作压力较高，现行的最高操作压力在20MPa以上。④绕管式换热器管内的热膨胀可自行补偿；绕管式换热器可进行大规模、大体积的优化应用。

2.绕管式换热器类型及特性分析

（1）光管绕管

光管绕管是绕管式换热器的主要结构形式，因此相关领域对于光管绕管的研究较多。通过ANSYS针对绕管换热器构建了管板结构模型，对管板的应力场进行了科学的分析，对于管板的应力分布清晰的呈现出来。其中在光管绕管的过渡圆角处存在最大应力；管板与筒体的焊接处较为薄弱。由于焊接处出现应力叠加的现象，所以必须要针对应力分布结果对管板结构参数进行调整，从而对管板厚度进行优化，不仅节约了材料成本的投入，还能促使管板受力更加均匀。

（2）螺纹绕管

螺纹绕管与光管绕管相比，不仅内外传热面积有所增加，还可缓解管内流体影响传热性能，同时在管内过渡区的层流形成纵向漩涡，使得管内流体的湍动不断增强，继而提升换热系数。而且绕管的螺纹结构可提升换热强度，其传热能力为光滑直管的2-10倍；压降为光滑直管的1-1.5倍，促使最终的传热性能达到了25倍，但与此同时摩擦系数会增加了2.5倍。

（3）套管式绕管

将两个同心管缠绕起来构成套管式绕管，将一种流体输入管内，再将另一种流体输入管间，通过湍流模型对管内的湍流动态、换热性能进行模拟，将高压气体输入到管内，压力范围设置为10-30bar，雷诺数范围为20000-70000，管间流通的是与环境温度相同的冷水，流量设置为200-600kg/h。将环形挡板设置于内外管之间，不仅可以提高管内的支撑力，还能增强管内流体的湍动性。

（4）并管绕管

并管绕管主要由两根换热管焊接构成的，并管结构在多股流体换热器中可有效拓展流体通道，其中换热方式主要应用于三种以上流体同时换热的工艺中，且管间钎焊能够促使各流体间的导热效率得到提升。然而采用壳侧传热计算较为复杂、繁琐，所以最好采用比拟法对壳侧传热进行计算，将虚拟圆管的面积与并管面积设置一致，根据环管间的传热公式对壳侧传热进行计算，并将空气作为介质证实模型的有效，可靠性。

（5）翅片绕管

翅片绕管在管壳式换热器、锅炉等设备中得到了有效的应用，尤其外翅片绕管不仅能够拓宽管外的传热面积，还能提升壳程流体湍动程度。其与光滑直管相比，在粘性流体绕管中发挥的优势更加显著，而且粘性流体会形成与流动方向垂直的应力，从而产生二次流增强换热。

3.绕管式换热器的应用前景分析

（1）绕管式换热器的大型化趋势

由于绕管式换热器结构有其独特的属性，虽然换热管的封头体积较小，但是管子长度多则百米以上，而现阶段一些大型的绕管式换热器在市场上不断地涌现。随着装置体积的不断增大，需要绕管换热器的体积随之不断增大。而普通的列管式换热器因管子长度受限，其相应的换热器难以进行大型化发展。

（2）绕管式换热器的新型化趋势

虽然绕管式换热器在化工领域已得到了有效的应用，但是依然存在诸多的不足需要不断地改善。当前绕管式换热器种类繁多、形式各异，按照具体的工况设置相应类型的换热器继而获得更好的效果。对于新型换热器的优化设计，可通过测试或数值模拟的方法验证。尤其是在测试难以进行的时候，便可通过CFD方法构建理论模型，利用数值方法将绕管式换热器的流体状态、传热过程、传质过程、受力情况进行仿真模拟分析，从而为绕管式换热器的优化设计提供参考依据。此外，不仅要对绕管式换热器的结构进行优化，也可将其与强化传热技术进行有效的融合，例如：可对换热管的粗糙表面、扩展表面加以利用，包括螺纹管、翅片管、波纹管等；在换热管内增设扰流装置，促使流体的湍动力不断提升，继而对管壁附近的流体流层进行破坏，提高换热系数。

（3）绕管换热器的高温化趋势

绕管式换热器最为关键的功能就是具备高效的换热性能，但是其主要设置于深冷装置中，直至21世纪初有部分企业开始将注意力投入到可在高温条件下应用的绕管式换热器的研究中，并且在次年就進行了相关化工生产的应用，这种换热器材质主要为CrMo钢耐高温材料。通过了很长一段时间的应用证实，此换热器的性能符合相关规定的使用要求，并且具备较高的耐久性和实用性。这种产品应用的效果进一步推动了绕管式换热器的不断发展，使其可以跨越多档温度范围进行有效的应用。若在介质允许的条件下，也可将绕管式换热器应用于炼油行业。

（4）绕管式换热器的高压化趋势

当前绕管式换热器在应用过程中，更多的适用于壳程压力高、管程压力低的条件下，通常壳程压力上升到15.0MPa，但是管程压力却低于5.0MPa。由于绕管式换热器具备管板面积小、壳程压力大、两端封头小等结构特点，为此采用这样的结构能够弥补普通高压换热器存在的不足。普通高压换热器通常应用的结构形式有两种：浮头式、U形管式，当压力不断上升时，不仅需要加大壳体的厚度，还要不断地提升法兰的强度等级，导致法兰厚重，成本严重增加。而绕管式换热器可对加长的管长进行充分的利用而不断拓展其面积，而且两端小管板也会促使连接的法兰减小，使得工艺制作更加的简捷，节约成本。当前国内炼油行业开始将绕管式换热器慢慢取代部分高压换热器，例如：加氢裂化、重整装置等。

结束语：

综合以上研究可以发现，绕管式换热器具备较高的优势，虽然当前主要应用于化肥合成氨装置中甲醇洗工艺流程中，但是通过结构形式的不断优化，在不久的将来其应用的领域将会更加的广泛，只要对绕管式换热器的结构形式、技术特点、应用优势，及工作效率的提升对策进行有效的掌握，就能够对绕管式换热器进行合理、有效的应用，并确保其发挥更高的效用。

参考文献：

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[2]鲍守珍. 绕管式换热器的结构形式分析及应用前景[J]. 俪人：教师，2015（22）：343-343.