缠绕管换热器设计文献综述

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文献综述

一、选题的背景及意义

热交换器是将热流体的部分热量传递给冷流体，使流体温度达到工艺流程规定的指标[1]的热量交换设备。换热器作为传热设备被广泛用于锅炉暖通领域，随着节能技术的飞速发展，换热器的种类越来越多。

换热器主要集中于石油、化工、冶金、电力、船舶、集中供暖、制冷空调、机械、

食品、制药等领域[2]。其中，石油化工领域仍然是换热器产业最大的市场，其市场规模

为150亿元;机械工业换热器市场规模约为40亿元；集中供暖行业换热器市场规模超过

30亿元，食品工业也有近30亿元的市场。另外，航天飞行器、半导体器件、核电常规

岛核岛、风力发电机组、太阳能光伏发电多晶硅生产等领域都需要大量的专业换热器，

这些市场约有130亿元的规模[3]。换热器又从结构、材料、工作环境等方面分为许多不

同的种类，以适应和满足各个行业的生产和运行需求。其中，螺旋缠绕管式换热器是由

一组或多组缠绕成螺旋状的管子置于壳体之中制成的，属于一种新型的管壳式换热器。

螺旋缠绕管式换热器具有多种结构，主要分为多股流和单股流缠绕管式换热器，主要由

缠绕管芯体、壳体、换热管等组成，其结构简图如图1所示。

图1螺旋缠绕管式换热器结构简图

与普通的管壳式换热器相比，由于换热管采用了螺旋缠绕的方式布置，因此螺旋缠绕管换热器拥有独特的集合结构和自身特点：

（1）换热充分、冷热端差小，不仅可以节约能源而且可以优化系统和流程,对整个装置具有良好的综合节能效果[4]。

（2）在适宜的介质里,缠绕管式换热器可以长周期地安全运行。

（3）可同时多介质传热[5]。

（4）自行热补偿。由于换热管螺旋缠绕的几何特性，换热管具有了一定的挠性，使其较好的抵抗管板与壳体的焊接应力，自补偿换热管束与壳体间不同的热膨胀[5]。

（5）低结垢倾向。流体在相邻管之间、层与层之间不断分离和汇合，使壳侧流体的湍流加强，减少层流，降低了避免附着的可能性、换热器解构倾向低[5]。

（6）管内操作压力高。目前国外最高操作压力可达21.65MPa[5]。

（7）结构紧凑[5]。

（8）设备占地面积小，整体重量轻[5]。

上述为螺旋缠绕管式换热器区别于普通管壳式换热器的主要特点，也正是这些特点，奠定了如今螺旋缠绕管式换热器的工业地位，使得螺旋缠绕管式换热器拥有了更加广阔的应用领域和发展前景。

目前，螺旋缠绕管式换热器广泛应用于液化天然气生产等低温、高压领域中，占有其它类型换热器不可替代的作用和位置。特别是在液化天然气生产行业，螺旋缠绕管式换热器更是最重要的基础装备之一[6]。而我国对螺旋缠绕管换热器的设计和生产制造技术掌握时间较晚，目前所掌握的技术和发达国家相比，客观上还有很大的差距。因此，继续加大研究力度，开发和设计制造出高水平的螺旋缠绕管换热器，对提高我国的基础工业技术、保障经济社会的发展与建设具有重大意义[7]。

二、国内外发展及研究现状

2.1国外发展及研究现状

1895年西德林德（Linde）公司首次开发了工业规模的空气液化设备，其中首次设

计并使用到了螺旋缠绕管式换热器[8]。而如今，螺旋缠绕管式换热器已成为许多工业领

域中最重要的基础设备之一。

在国外，缠绕管式换热器广泛应用于大型空气分离装置的过冷器及液化器（液体氧、液化氨装置），林德公司在合成氨甲醇洗系统中推出的缠绕管换热器系列正式充分发挥了该种换热器的作用[9]。低温甲醇洗工艺是德国林德公司开发的采用物理吸收法的一种酸性气体净化工艺，该工艺利用甲醇在低温、高压下具有良好的物理吸收特性来选择性地吸收酸性气体中的硫化氢和二氧化碳，在以渣油和煤为原料的大型合成氨装置上,大多采用低温甲醇洗净化工艺[10]。缠绕管式换热器是林德低温甲醇洗工艺技术的专利设备。

缠绕管式换热器由于其自身特点被用作大型陆上天然气液化工厂以及大型LNG-FPSO的首选主低温换热器，在大型天然气液化工厂中具有广阔的应用与前景。在国际上，美国空气产品化学工程公司和林德公司是LNG领域绕管式换热器的两家主要供货商。其中，美国空气产品化学工程公司（APCI）占绝大部分市场份额，其作为LNG领域绕管式换热器最大的供货商，在1997到2008的30多年间，为79条LNG装置（其液化能力累计达到230万吨）提供了配套缠绕管式换热器，主要用户分布在亚洲、欧洲、澳大利亚和南美等地区[11]。APCI具有全面的设计制造大型LNG装置主低温换热器的能力，其制造厂内可以制造直径5米、长度55米、450吨重以下的缠绕管式换热器。目前，APCI对于大型LNG-FPSO工艺进行研究，主低温换热器仍然采用绕管式换热器，并对绕管式换热器的结构进行改进，以满足海上生产的特殊要求[12]。林德公司（LINDE）在1993年开始为市场提供大型LNG绕管式换热器，生产数量逐年增加，近五年内一共生产了累计金属重量达到3120吨的多股流绕管式换热器应用于LNG工厂[13，14]。LINDE已经成功为挪Hammerfest、澳大利亚Kwinana和中国的新疆广汇等液化工厂提供主低温换热器[15，16]。该公司在其制造厂内能够完成直径7.5米、260吨重缠绕管式换热器的制造，对于更大尺寸和重量的绕管式换热器可以在靠近水路的厂房内组装[17～20]。

就在世界范围内，螺旋缠绕管式换热器主要运用于合成氨，空气分离和大型液化天然气（LNG,LiquefiedNaturalGas）的生产装置中等。其中，排在世界天然气出口国前五位的国家分别是：塔卡尔、印度尼西亚、马来西亚、澳大利亚和尼日利亚，这些国家的天然气液化工厂规模大部分都在年产一百万吨以上，其中绝大多数装置的主低温换热器均采用了螺旋缠绕管式换热器[21]。这种LNG用大型缠绕管式换热器的制造商还比较少，关于其传热与流动模型方面的文献也比较少。

目前，国际上能够完成大型LNG装置（LNG液化能力在300万吨/年以上）中缠绕管式换热器工程设计商家主要有APCI、SHELL、ConocoPhillips、Statoil、Linde和Axens。其中，美国空气产品化学工程公司(APCI)是LNG领域缠绕管式换热器最大的供货商，具有全面的设计制造大型LNG装置主低温换热器的能力，目前其制造厂内可以制造直径5米、长度55米、450吨重以下的缠绕管式换热器[22]。因此，国内科研和设计制造单位还需要加大对大型缠绕管式换热器的研发力度，缩小同发达国家之间的技术差距。

当然，螺旋缠绕管换热器作为一种新型高效换热器，除了在上述LNG领域的广泛使用之外，世界范围内越来越多的工业生产过程正在加大其装配数量，以满足自身的生产需要。总而言之，螺旋缠绕管换热器在各种工业中的使用将会越来越广泛。

2.2国内发展及研究现状

缠绕管式换热器不仅是大型石油化工工艺过程重要的单元设备,而且还是一种节能设备,但由于该设备工艺计算复杂，制造难度极大，工程技术一直被国外林德等公垄断,国产化进展较小。1997年以来,镇海炼化检安公司、合肥通用机械研究所、镇海炼化化肥厂三家单位联合攻关，开展了缠绕管式换热器国产化的一系列研究[23]。从第一台甲醇换热器成功投入使用以来，已为国家十五重大装备国产化依托工程山东华鲁恒升化工股份有限公司大型氮肥国产化装置陆续制造了数台大型缠绕管式换热器，取得了初步成功。本文针对某化工厂化肥甲醇洗装置循环甲醇冷却器，简单介绍我国自行设计的第一台多股流缠绕管式换热器的国产化过程[24]。

螺旋缠绕管式换热器的高效、环保、节能以及安全的技术优势，在各个行业得到了广泛应用[25]。烟台某化学制品有限公司应用工况：多种不同物料的常压蒸馏冷凝回收。选用螺旋缠绕管式换热器代替了原来的螺旋式玻璃换热器，单位时间内冷凝液的回收量是原来的2.5倍，大大提升了生产效率，降低了运营成本。螺旋缠绕管式换热器相对于玻璃换热器更易于安装和后期的维护，同时避免了玻璃换热器对温差及压力的敏感性，不容易发生破裂及爆炸事件，安全可靠，提高了生产的稳定性。

烟台某食品有限公司应用工况：利用饱和蒸汽加热稀酸稀碱对生产设备进行清洗。该公司以前使用了进口的板式换热器6㎡，在生产过程中由于高温高压的原因使该换热器在使用一段时间后胶条出现外胀现象。现在改为采用3㎡的螺旋缠绕管式换热器，改变了传统循环升温方式，实现了CIP在线清洗的即时升温，提高了生产效率，降低了运行成本。并且用0.3MPa饱和蒸汽代替了原来的0.4MPa饱和蒸汽，为企业节省了近25%的蒸汽制作成本，一年累计节省蒸汽费用十几万元。

广东某生化有限公司应用工况：常压回收二氯甲烷等低沸点物料。由于低沸点物料的冷凝难度较大，需要采用大量冷冻盐水才能保证正常运行，但生产制冷费用较高[26]。使用螺旋缠绕管式换热器，利用循环水来完成物料的相变过程，再利用原有设备冷冻盐水进行过冷收集。此方案超过了原系统的使用效果，并节省了80%制冷费用，溶剂回收率提高2%。在降低运行成本的基础上，又降低了原材料成本。该工况在夏季应用仍有出色效果，体现了优良的高效节能优势[27]。

缠绕管式换热器作为一种紧凑型高效换热器,设计、制造尚处于起步阶段。由于其结构的特殊性,目前的换热器标准尚不能涵盖。针对缠绕管式换热器设计、制造、检验、验收中的诸多环节要素,镇海炼化检安公司编制了企业标准《缠绕管式换热器技术条件》,并得到全国锅炉压力容器标准化技术委员会的认可,这也是全国第一家由容标委批准的缠绕管式换热器标准。在此基础上,先后完成了多台缠绕管式换热器的设计、制造。

缠绕管式换热器作为一种紧凑型高效换热器,其设计、制造尚处于起步阶段。相对于一般的管壳式换热器而言,由于其结构的特殊性,对照目前国内现行标准法规,缠绕管式换热器的制造、检验和验收缺少必要的法规依据[28，29]。

从上述内容可以看出，我国的科研单位和学者已对螺旋缠绕管式换热器诸多方面的理论、技术问题展开了研究与探讨，同时取得了许多科研成果[30]。但总体上国内科研和制造单位对大型螺旋缠绕管式换热器的设计、计算、实验以及制造方面，还存在一定的技术瓶颈。

未来，我国缠绕管式换热器的发展和攻关方向将会朝以下几个方面：大型化、高温化、高压化、多股化及微型化[31]。今后，随着联系缠绕管换热器在我国的不断发展与应用，其必将进入更多更广的领域，发挥越来越重要的作用，服务于我国经济和社会主义建设。

三、总结

综上分析可知，螺旋缠绕管式换热器作为一种紧凑型高效换热器，其设计、制造目前在国内尚处于起步阶段。但由于其上述特有的优点，使得它在工程领域运用中无可替代。本课题将对螺旋缠绕管式换热器内流体特性、传热特性和流体流动阻力等问题进行分析，建立某小型工业用螺旋缠绕管式换热器的设计计算方法和步骤。通过本课题的设计任务，积累一定的螺旋缠绕管式换热器设计经验。

四、参考文献

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２．本课题要研究或解决的问题和拟采用的研究手段（途径）：

（1）流体热物性参数、传热温差的确定（对于缠绕管式换热器，虽然管子采用缠绕方式布局，但是整体上仍可看作是逆流传热过程，因此采用对数平均温差公式计算传热温差）；

（2）估算传热面积，基于确定缠绕管换热器的集合参数和结构（传热模型与几何模型的建立）；

（3）分别计算，校核管侧及壳侧传热系数；

（4）总传热系数和总传热面积的计算；

（5）壳程、管程阻力计算。管内的压力降主要由盐城阻力和缠绕管的进出口处的局部阻力构成，壳程的压力降主要是由流体橫掠传热管引起的，因此根据具体的传热管排布计算壳程压力降；

（6）缠绕管式换热器的核算及扩工况110%（其它参数不变，冷热流体流量在原数值上各增加10%）情况下计算，即最终设计的传热面积应比设计任务所需的传热面积具有10%-20%的余量；

（7）换热器结构尺寸和零部件设计，热补偿计算，强度校核与应力评定；换热器的部件按照GB150-2011《钢制压力容器》和GB151-1999《管壳式换热器》进行设计计算；

（8）整体结构优化设计和最终统筹；

（9）编写设计计算说明书，绘正式图纸。