纏繞管式換熱器的特點(diǎn)與發(fā)展

周松銳　曹　蕾　王錦生

(東方電氣集團(tuán)東方鍋爐股份有限公司，四川成都，611731)

?

纏繞管式換熱器的特點(diǎn)與發(fā)展

周松銳曹蕾王錦生

(東方電氣集團(tuán)東方鍋爐股份有限公司，四川成都，611731)

摘要

關(guān)鍵詞：纏繞管式換熱器纏繞管低溫甲醇洗煤化工

纏繞管式換熱器是一種結(jié)構(gòu)緊湊的高效換熱設(shè)備，其結(jié)構(gòu)形式不同于傳統(tǒng)的管殼式換熱器，近年來已被廣泛應(yīng)用于煤氣化廢熱回收、空氣分離、氫液化、稀有氣體分離、低溫甲醇洗、液氮洗等領(lǐng)域。

1纏繞管式換熱器結(jié)構(gòu)[1-3]

纏繞管式換熱器的結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由芯筒、外殼、換熱管、墊條、封頭、管板等組成，換熱管布置于芯筒與外殼之間的空間內(nèi)，按螺旋線形狀逐層交替纏繞而成，相鄰兩層換熱管的纏繞方向相反，兩層換熱管之間用金屬墊條隔開，形成殼程流道。換熱管一般采用外徑為φ6mm～φ15mm的細(xì)管，可承受較高壓力，因此管內(nèi)一般走高壓流體。換熱管的纏繞角度為6°～20°。墊條一般為1mm～5mm厚的帶狀金屬條。

纏繞管式換熱器可分為單股流纏繞管式換熱器和多股流纏繞管式換熱器，如圖2、圖3和圖4所示[2]，其中圖4中的多股流纏繞管式換熱器帶有若干小管板。

纏繞管式換熱器的結(jié)構(gòu)發(fā)展主要體現(xiàn)在兩個方面。一是換熱管的表面形態(tài)的改變，如光管、螺紋管、翅片管等；二是換熱管纏繞方式的改變，如套管式繞管、并管式繞管等。

2纏繞管式換熱器的優(yōu)點(diǎn)[4-6]

(1)結(jié)構(gòu)緊湊，在單位容積內(nèi)具有較多的換熱面積，占地面積小，易實(shí)現(xiàn)大型化。

(2)可以實(shí)現(xiàn)多種介質(zhì)同時傳熱。當(dāng)需要同時加熱或冷卻幾股流體時，采用圖4所示的帶有小管板的纏繞管式換熱器可以很容易地實(shí)現(xiàn)多股流的熱交換。

(3)換熱系數(shù)高。纏繞管式換熱器相鄰兩層換熱管的纏繞方向相反，極大地改變了流體流動狀態(tài)，使殼程流體形成強(qiáng)烈的湍流；由于換熱管管內(nèi)螺旋流動的強(qiáng)化作用，管程的傳熱膜系數(shù)也得到提高；另外還有墊條等部件對殼程的流動不斷擾動，這三個方面的共同作用，使得纏繞管式換熱器的傳熱性能得以顯著提升。對于一般結(jié)構(gòu)的氣-氣換熱設(shè)備，其傳熱系數(shù)值約為75W/(m2·K)～365W/(m2·K)，但對于纏繞管式換熱器，某些特定條件下，總傳熱系數(shù)可以達(dá)到500W/(m2·K)以上[5]。

(4)傳熱溫差小，換熱效率高。流體在管、殼側(cè)流動接近逆流流動換熱，達(dá)到所需換熱量的傳熱溫差較小，端面換熱溫差僅2℃。

(5)耐高壓。由于管側(cè)換熱管直徑較小，可承受較高壓力，操作壓力可以達(dá)到22MPa。

(6)補(bǔ)償性好。換熱管端存在一定長度的自由彎曲段，換熱管的熱膨脹可部分自行補(bǔ)償，大大減小了換熱管和管板之間因膨脹差產(chǎn)生的應(yīng)力，可減小管板的設(shè)計厚度，同時減少了換熱管與管板的焊接接頭泄漏的可能性。

(7)不易結(jié)垢。換熱管內(nèi)流體呈螺旋流動，流道截面形成二次流。同時，殼程流體在各管層之間形成湍流，降低了流體對壁面的附著，不易結(jié)垢。

3纏繞管式換熱器的缺點(diǎn)[7, 8]

(1)換熱管易堵塞。換熱管直徑較小，易造成換熱管堵塞，因而對管程介質(zhì)應(yīng)具有較高的的潔凈度，介質(zhì)在進(jìn)入纏繞管式換熱器前需經(jīng)嚴(yán)格過濾。

(2)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，制造、檢修難度大，價格昂貴。

(3)清洗困難。纏繞管式換熱器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)使得管程和殼程的清洗都比較困難，通常只能用化學(xué)方法清洗。

4纏繞管式換熱器在國內(nèi)的發(fā)展

近年來，隨著國內(nèi)煤化工行業(yè)的飛速發(fā)展，國內(nèi)也開展了大量纏繞管式換熱器的研究，例如：賈金才[1]用數(shù)值模擬方法研究了纏繞管式換熱器殼程幾何結(jié)構(gòu)對換熱的影響，重點(diǎn)研究了管徑、徑向比、纏繞角度、軸向比、盤繞圈數(shù)對傳熱性能的影響。李健偉等[9]利用ANSYS對實(shí)際纏繞管式換熱器建立了管板結(jié)構(gòu)分析有限元模型，分析了管板的應(yīng)力場，明確了管板的應(yīng)力分布及最大應(yīng)力部位。根據(jù)應(yīng)力分析結(jié)果對管板厚度進(jìn)行了優(yōu)化，達(dá)到了既減輕設(shè)備重量，又節(jié)約材料、降低成本的目的。尹接喜等[10]為了研究纏繞管式換熱器中的并管結(jié)構(gòu)的傳熱規(guī)律，對并管金屬管壁的微元段建立熱平衡方程，以管壁溫度對稱分布及通過兩并管焊接結(jié)構(gòu)的熱量相等為邊界條件，提出了并管傳熱模型。在以空氣為工質(zhì)的并管傳熱實(shí)驗臺上，測定了管壁溫度,然后與模型計算管壁溫度比較，驗證了該傳熱模型的有效性。張周衛(wèi)等[11]提出一種適用于雙股流逆流型纏繞管式換熱器的換熱工藝計算方法，應(yīng)用數(shù)值模擬方法確定雙股流纏繞管束基本物理參數(shù)。按照雙股流甲醇-甲醇纏繞管式換熱器計算流程進(jìn)行編程迭代計算，對比分析計算數(shù)據(jù)并建立雙股流低溫纏繞管式換熱器管束模型。

因纏繞管式換熱器的結(jié)構(gòu)特殊、工藝性能計算復(fù)雜、制造難度大，目前國內(nèi)還沒有公開的通用軟件可以設(shè)計和計算纏繞管式換熱器，具備制造纏繞管式換熱器能力的公司只有少數(shù)幾家。

5結(jié)語

纏繞管式換熱器雖然結(jié)構(gòu)復(fù)雜、制造和檢修困難、價格昂貴，但具有高效換熱、結(jié)構(gòu)緊湊、不易結(jié)垢、管束補(bǔ)償性好、管內(nèi)的操作壓力高、可同時實(shí)現(xiàn)多股流的熱交換等優(yōu)點(diǎn)。隨著新設(shè)計的提出和加工技術(shù)的改進(jìn)，纏繞管式換熱器有著更廣闊的應(yīng)用空間，特別是多種流體同時換熱的場合、在小溫差情況下取得較大換熱量的場合，以及高壓力操作的場合[3]。

參考文獻(xiàn)

[1] 賈金才.幾何參數(shù)對繞管式換熱器傳熱特性影響的數(shù)值研究[J].流體機(jī)械, 2011, 39(8): 33-37.

[2] 陳永東,吳曉紅,修維紅,等. 多股流纏繞管式換熱器管板的有限元分析[J]. 石油化工設(shè)備,2009,38(4): 23-27.

[3] 吳金星,李亞飛,張燦燦,等.繞管式換熱器的結(jié)構(gòu)形式分析及應(yīng)用前景[J].壓力容器, 2014,31(2):38-42.

[4] 吳志勇,陳杰,浦暉,等. LNG繞管式換熱器結(jié)構(gòu)與流通參數(shù)計算[J].煤氣與熱力,2007, 34(3): A34-A39.

[5] 李亞飛,毛文睿,張燦燦,等.纏繞管換熱器的發(fā)展與應(yīng)用[J].廣東化工,2014,41(1): 131-132.

[6] 張賢安.高效纏繞管式換熱器的節(jié)能分析與工業(yè)應(yīng)用[J].壓力容器,2008,25(5): 54-58.

[7] 李振勇,任世君,劉永強(qiáng).纏繞管換熱器泄漏的原因及處理措施[J].化肥工業(yè),2012, 39(5): 49-51.

[8] 于清野.纏繞管式換熱器計算方法研究[D].大連：大連理工大學(xué),2011.

[9] 李健偉,曲萍,武艷芳,等.多股流繞管換熱器管板結(jié)構(gòu)分析[J].壓力容器, 2013, 30( 5): 18-22.

[10] 尹接喜,李清海,施德強(qiáng),等．纏繞管換熱器并管傳熱模型及實(shí)驗[J]．清華大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)，2000,40( 6): 73-75.

[11] 張周衛(wèi),薛佳幸,汪雅紅. 雙股流低溫纏繞管式換熱器設(shè)計計算方法[J].低溫工程, 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.

基金項目：四川省科技廳青年基金項目(No.2013JQ0047)

纏繞管式換熱器是一種結(jié)構(gòu)緊湊的高效換熱設(shè)備，具有管束補(bǔ)償性好、管內(nèi)的操作壓力高、可同時實(shí)現(xiàn)多股流的熱交換等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于煤氣化廢熱回收、空氣分離、氫液化、稀有氣體分離、低溫甲醇洗、液氮洗等領(lǐng)域。本文著重介紹了纏繞管式換熱器的結(jié)構(gòu)、優(yōu)點(diǎn)、缺點(diǎn)以及國內(nèi)的發(fā)展情況。