缠绕管式换热器的传热研究进展

2020-07-18钟天明陈嘉澍丁力行刘少达林昭境

天然气化工—C1化学与化工 2020年3期

钟天明，陈嘉澍，丁力行，刘少达，林昭境

（仲恺农业工程学院机电工程学院，广东广州 510225）

缠绕管式换热器是一种特殊的管壳式换热器，是20世纪初在管壳式换热器的基础上发展起来的高效换热结构。缠绕管式换热器结构紧凑、整体换热系数高、承压能力较强，广泛应用于LNG、重烷烃液化分离以及液氮洗等装置中[1-2]。换热器中换热管采用螺旋结构，有利于湍流发展，并能产生强烈的二次环流，强化了管内换热效率；壳程换热空间结构较复杂，流体冲刷螺旋管束进行换热，由于相邻缠绕管网之间缠绕方式相反，增强了壳程流体的扰动，而且与管内流体构成叉流换热方式，有效增大冷热源间的传热温差。导流件能有效改变壳程的流道结构，对缠绕管束间流体的流动形态有显著影响，因此，垫条、导流环等结构也得到了广泛而深入的研究[3-4]。

近年来，由于缠绕管式换热器的良好换热性能，在石油化工等行业的应用愈加广泛，对其传热特性的研究获得了更多学者关注[5]。如何进一步改善管程和壳程的换热性能，以获得更紧凑的结构；如何进一步创新换热器结构，以适应越来越多工业领域的应用；以及进一步优化新型换热器传热的计算模型，均是换热器传热研究的重要内容。本文结合近期相关学者对以上方面开展的工作，对当前缠绕管式换热器的传热研究现状进行总结和分析。

1 换热器结构和制造

缠绕式换热器以传统管壳式换热器为基础发展而来，由壳体、芯管和缠绕管束三部分组成，其相邻两层换热管呈螺旋对向缠绕，缠绕形式分两种，单管绕制和并管绕制。换热器的制造方法往往对其换热性能起到决定作用，常规缠绕管式换热器的重要部件异形垫条、芯管以及缠绕管网可采用以下方法制造。

（1）异形垫条的制造：异形垫条的作用是控制换热管轴向和径向间距，是保证壳侧流体流动和换热性能的关键部件，采用冲压成型、冲孔、线切割最后打磨的制造方法可获得所需垫条精确的形状和尺寸，从而保证换热管螺旋角和管间距的设计要求。

（2）芯管的制造：芯管对缠绕管网起支撑的作用，保证缠绕直线度，采用卷制焊接最后精密切削的制造方法，可使芯管的长度误差约束在±1mm内，直线度偏差接近0。

（3）缠绕管网的制造：在芯管上按设计节距设置异形垫条，随后采用可调节距绕管机床进行精确绕管，并利用专用卡箍将管网固定，此方法绕制的换热管节距偏差小，而且管网环径尺寸精度较高。

2 换热器强化传热研究

强化传热性能是换热器研究的主要内容之一，缠绕管式换热器管程呈螺旋管网径向叠加布置，因此螺旋管的螺旋半径和螺旋角是影响换热器管内传热性能的主要因素。由于螺旋管的缠绕方式不影响管程流体的流通面积，却直接改变壳程流体的过流空间，并对壳程的传热和阻力性能有着显著影响，因此壳程的强化传热研究受到学者们更多关注。贾金才等[6]研究了管径、径向比、缠绕角度、轴向比、盘绕圈数对壳程传热性能的影响，发现减小管径和径向比，增大轴向比能明显强化传热，当径向比从1.5减为1.1时，传热系数增大近50%。李书磊等[7]模拟研究了管径、缠绕直径以及缠绕角对缠绕管式换热器管程传热性能的影响，研究表明减小缠绕直径和缠绕角能一定程度强化传热性能。Mirgolbabaei等[8]研究了管径、管节距对壳程换热性能的影响，发现减小管径和管节距均能强化传热，当节距减小20%时，其管程换热系数增大约16%。李淑恒等[9]模拟研究了7种缠绕直径以及螺距缠绕管式换热器结构的管程传热性能，发现减小缠绕直径，可增强管内传热系数近15%，而螺距对管内传热性能影响很小。Saffari等[10]研究了缠绕管的轴向节距和径向节距对壳程传热性能的影响，研究发现，当轴向节距及径向节距两者与管径之比均在2～3之间时，壳程可获最优传热性能。田杨等[11-12]模拟研究了水滴型缠绕管式换热器的壳程传热与阻力性能，发现在流速为0.4～0.5ms-1时，水滴型管管外的传热系数是圆管的94.2%，而其管外的阻力压降只有圆管的75%。文键等[13]研究了不同垫条布置对缠绕管式换热器的壳程传热性能的影响，研究表明垫条采用错排布置可提升壳程传热系数约18%。

3 换热器传热模型研究

3.1 换热器壳程传热模型

传热模型的构建是换热器进行准确设计的有力工具。 20世纪20年代，Prandtl 提出流体横掠平板的经典层流分析解理论，并结合Nusselt经典传热理论，获得横掠平板传热计算的理论模型：

其后，研究者们基于横掠平板理论传热模型发展出计算精度越来越高的横掠管束传热模型。由于横掠管束传热的复杂性，传热模型以经验或半经验为主，经验传热模型的构建可按以下步骤开展研究：

（1）基于已有传热模型，选择合适的基模型；

（2）针对目标换热结构和换热工质，根据传热理论，对基模型的传热影响因素进行修正分析；

（3）根据设定条件，进行传热实验，获得传热实验数据；

（4）利用初步修正的基模型进行传热计算，并与实验数据对比，进行误差分析和模型再修正；

（5）扩大实验数据范围，进行线性回归处理，修正回归常数和因子系数。

缠绕管式换热器壳程传热是复杂的横掠管束传热，由于壳程流道不规则，扰流充分，而且承压能力较管程小，因此，壳程通常进行流速较低的单相传热。Salimpour 等[14]研究了水横掠螺旋管束的换热过程，提出新传热模型，并在换热管外径为12mm，壳体内径为120mm的换热器中进行验证，结果表明随着质量流量增大，计算误差减小。Lu等[15,16]等模拟研究了水和甲醇在Re为3500～65000下横掠缠绕管束的传热性能，并依据传热特性分别提出水和甲醇的传热模型，计算结果与温度场分布吻合良好。Ren等[17,18]研究了多股气态LNG横掠缠绕管束的传热性能，发现导流条的结构和布置对壳程传热性能有明显影响，根据模拟研究和实验结果，提出了均流型和分流型的传热计算模型，计算偏差仅约5%～10%。近年来有代表性的单相气态和液态传热模型整理于表1 中。

表1 壳程单相传热模型Table 1 Single phase heat transfer model of shell side

3.2 换热器管程传热模型

缠绕管式换热器的管程承压高，适合进行高效的相变换热。缠绕管束中的流体会形成强烈的螺旋流和二次环流，造成复杂的管内相变换热过程，难以从理论上推导出普适的相变换热解析式。 Yu等[22]实验研究了甲烷在管径为10mm的内螺纹螺旋管束中的冷凝传热特性，并在Cavallini [23]和Shah [24]等的模型基础上，提出新的分流型冷凝传热模型，经大量实验结果验证，平均计算偏差仅为±10%。 Solanki等[25]研究了R-134a在螺旋管中的冷凝传热特性，在干度为0.1～0.85下比较了光管和带凹涡管的传热性能，并建立了新型传热模型，该模型在带凹涡管的平均传热计算偏差仅±8%。 Salimpour等[26]采用R-404A研究了螺距、螺旋直径等对螺旋管传热性能的影响，根据实验结果提出新的计算模型，最大计算偏差仅±20%。近年报道的较高计算精度的冷凝与沸腾传热模型整理于表2 中。

表2 管程相变传热模型Table 2 Two-phase heat transfer mode of tube side

续表2 管程相变传热模型

图1 部分壳程传热模型比较Fig. 1 Some shell side heat transfer models

图2 部分冷凝传热模型比较Fig. 2 Some condensation heat transfer models

3.3 传热模型对比分析

图1为表1中所列部分壳程传热模型在相同条件下的计算结果比较。以甲醇为工质，质量流速为50kg·m-2·s-1～300kg·m-2·s-1，可见不同模型的整体预测趋势一致，但冷凝传热系数随质量流速增大而变化的斜率略有不同，不同模型预测值也略有差异，其中Neeras等[19]模型的值较Zeng等[21]模型的值高22.5%～44.5%，而Neeras等[19]模型的值与Lu等[15]模型的值仅相差1.3%～6.0%。图2为表2中所列冷凝传热模型的管内传热计算。以甲烷为工质，在干度为0.1～0.9范围内，不同模型的预测趋势差异不大，其中Solanki等[27]模型的值较Salimpour等[26]模型的值高10.9%～16.2%。图3是表2所列沸腾传热模型的管内传热计算，不同模型的整体预测趋势呈现一定差异，其中Chen等[28]模型、Kong等[31]模型以及Wongwises等[32]模型的预测趋势基本一致，在干度为0.7～0.85时出现峰值，随后下降，三个模型的计算结果差异低于18%。 Zhao等[29]和Niu等[30]模型的预测趋势与其他模型不同，其中Zhao模型计算结果随干度增大而下降，而Niu模型计算结果则不断增大。管内相变换热特性复杂，仍需进行深入探究。

图3 部分沸腾传热模型比较Fig. 3 Some boiling heat transfer models

4 换热器的新型结构

缠绕管式换热器的结构也在实践中发展，其创新结构往往是针对应用中遇到的特定问题，例如：减轻换热管束震动、消除壳程环周和端面流动死区以及改善污垢清除问题等。研究者们针对上述现实问题开展了研究，提出了新型换热器结构，并申请了专利，近年关于缠绕管式换热器新型结构的若干代表性发明专利列于表3中，图4为其对应结构简图。这些新型结构的提出均有明确的问题导向，结构设计完善。