绕管式换热器及其传热的计算方法

孔祥力(中石化上海工程有限公司，上海 200120)

0 引言

能源是人类生存和发展的必不可缺的物质基础。能源的有限和不可逆性，促使人们越来越多的开始关注节约能源。如何有效提高能源利用率，仍是一个值得关注并深入研究的课题。在石油化工领域，换热器是一种在工业生产中实现物料之间的热量传递的工艺设备。也是提高能源利用率的主要设备之一。据统计在化工厂中，换热器的投资约占总投资的10%～20%，而在炼油厂中该项投资要占到总投资的30%～40%[1]。从工程项目整体投资来说，如何提高换热设备的性能，降低能耗，这一直是广大科研人员、开发者的目标。而缠绕管式换热器作为一种高效紧凑的换热设备，一直备受青睐。在化工项目中，采用缠绕管式换热器有很大优势。它具有传热系数高、换热效率好、结构紧凑、可同时进行多种介质的换热、管侧耐高压，换热管热膨胀可自行补偿等优点。

1 缠绕管式换热器的介绍

缠绕管式换热器是管式换热器的一种。可以做成立式或者卧式。缠绕管式换热器的结构主要由管板、中芯筒、壳体、若干换热管(一般数目多达几千根)、隔条、封头等组成，如图1所示。两端为上管板和下管板。许多层换热管布置在中间部分，按螺旋状一层一层依次逐层缠绕在中芯筒上。相邻两层换热管之间用相同厚度的金属丝或垫条隔开。换热管两端收集于管板内，一般采用强度焊加胀接的连接结构。为了达到管侧流体均匀分布，每根换热管采用等长管子制造。换热管间的间隙构成了壳程通道。

图1 缠绕管式换热器结构

缠绕管式换热器由于其结构特点，管程壳程流体流动及传热较为复杂，目前没有一套全面的统一的针对性的计算软件，因此有必要对缠绕管式换热器的传热部分计算进行探讨研究。

2 缠绕管式换热器的计算研究

这里借助某厂增产丁烯-1项目中进/出料缠绕管式换热器作为实例，对缠绕管式换热器的传热计算进行研究。

其中冷热侧物流的物性数据和进出口温度，由工艺包给出，这里作为缠绕管式换热器设计的已知条件。工艺进出料设计条件如下：进出料均为混合C4组分。均为气相。流量为17 708 kg/h。管程走热流体，进出口温度为320.1～114.8 ℃。壳程走冷流体，进出口温度为68.4～286.0 ℃。进口压力为，管程：0.55 MPaG。壳程：0.63 MPaG。两侧允许压降均为50 kPa。两侧污垢热阻均为0.000 25 m2K/W。

缠绕管式换热器的总传热膜系数计算公式为[3]：

其中用吉利(Gillis)公式计算壳程传热系数。用施密特(Schmidt)公式来计算管程传热系数。

吉利(Gillis)借助流体在直管群错流流动时的界膜导热系数推算出缠绕管组成的管束错流流动时的流体界膜导热系数计算公式[2]：

借助计算机软件建立数据模型，算出总热负荷Q为2 761.34 kW。总传热系数K为276.34 W/(m2K)。计算出总换热面积为263.01 m2。

从以上结果来看，计算出来传热数据基本合理。在换热器具体设计时，结合几何结构设计，参考计算出的换热面积，将其结构参数圆整，通过调整传热面积裕度。最终选取缠绕层数为15层。缠绕总根数为495，管束长度L为13 m。实际换热面积为323.5 m2。这里对几何结构设计具体不做展开。算得传热面积裕度为27%。一般工业装置允许的设计安全裕度保持在10%～30%之间即可。太大会造成浪费。在一些特殊的生产条件下，传热面积裕度可能更大。

3 结果分析与总结

其中换热器壳程出口温度为282.6 ℃，在设计计算中为286.0 ℃。而壳程进口实际温度比计算中高7 ℃，结合在计算的传热面积裕度为27%。综合分析来看，这个数据说明，可以看出在某公司的增产丁烯-1的项目中，在设计条件下，进出料换热器采用缠绕管式换热器是可靠合理的，可达到换热要求。对于整个项目来说采用缠绕管式换热器具有很大的优势。相比普通管壳式换热器有着很多优点。比如缠绕管式换热器自身结构紧凑，且可以立式安装，大大节约了占地面积。且相同规格时，缠绕管式换热器换热面积比普通管壳式换热器高，单位容积下，传热面积是管壳式换热器的2倍多。采用缠绕管式换热器还有一个很大的优点，缠绕管式换热器特殊的设计可以做到旁漏为0,而普通的管壳式换热器旁漏最小也要达到3%以上[5]。这样更加强化热能利用，使得热损失尽量小。

从上述分析的优势可以看出，对比普通的管壳式换热器来说，采用缠绕管式换热器可产生较大的经济效益。首先设备投入方面，虽然管式换热器本身设备造价小于缠绕管式换热器，但后期的安装、维护，缠绕管式换热器还是有优势的。而且有时候一台管式换热器达不到换热要求，需要几台，不仅占地面积大，配套的配管、控制系统等也较为复杂，需要较大投入。再从节能效果来看，该装置减少的燃料费用和其后续空冷节约的用电成本和蒸汽消耗等，节约的经济成本还是非常可观的。整体来说，采用缠绕管式换热器，对企业的经济效益也有很大提高，为企业综合节能创收作出了贡献，得到了业主的肯定。

4 结语

文章从石化项目节能出发，分析了采用缠绕管式换热器的优势。研究了缠绕管式换热器的传热计算方法。借用了计算机软件进行模拟数值计算。提供了一种设计计算方法，而不是开发了具体计算缠绕管式换热器的软件。希望研究者研究出缠绕管式换热器可以采用的计算软件。这样会使得设计计算大大的便捷，缩短时间，还可以运用其分析每个参数的不同对结果的影响。文章仅针对某公司的增产丁烯-1项目中的进出料换热器，采用缠绕管式换热器进行设计计算。而这台换热器进出料数据均为气相，不发生相变且是单股流。针对缠绕管式换热器多股流多相流的问题并没有涉及。有一些学者对多相流多股流的计算也有研究，多相流多股流传热非常复杂，后续还需要深入研究。