纏繞管換熱器結(jié)構(gòu)發(fā)展及展望

楊禹坤　吳金星　倪　碩

（鄭州大學(xué)化工與能源學(xué)院節(jié)能技術(shù)研究中心，河南　鄭州　450001）

纏繞管換熱器結(jié)構(gòu)發(fā)展及展望

楊禹坤吳金星倪碩

（鄭州大學(xué)化工與能源學(xué)院節(jié)能技術(shù)研究中心，河南鄭州450001）

纏繞管換熱器憑借其優(yōu)良的綜合性能，在化工、煉油、空分及液化天然氣等工業(yè)行業(yè)中獲得了廣泛應(yīng)用。隨著強(qiáng)化傳熱理論和制造技術(shù)的發(fā)展，更多結(jié)構(gòu)復(fù)雜的纏繞管換熱器被設(shè)計(jì)和制造出來，其形式越來越多樣化。纏繞管換熱器從最初的三大類結(jié)構(gòu)逐步分化，出現(xiàn)了浮頭式、半浮頭式結(jié)構(gòu)、多股流結(jié)構(gòu)、真空保溫結(jié)構(gòu)、無管板結(jié)構(gòu)和帶豎直隔板結(jié)構(gòu)等類型，以適應(yīng)特殊的工藝，滿足不同場合的需求。按照當(dāng)前的發(fā)展趨勢，未來纏繞管換熱器朝著高溫、高壓且具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)的方向發(fā)展。

纏繞管；換熱器；單股流；多股流；浮頭式

纏繞管換熱器具有結(jié)構(gòu)緊湊、安全高效、耐高溫高壓、介質(zhì)溫度的段差及端差小等優(yōu)良特點(diǎn)，在空分、化工、煉油和LNG液化等行業(yè)中應(yīng)用越來越廣泛［1］。纏繞管式換熱器的雛形最早可追溯到1905年Linde公司［2］設(shè)計(jì)制造出的蛇管形式的管殼式換熱器，之后英國Hampson采用多根管子在中心圓筒上從內(nèi)向外來回螺旋纏繞，這是最早具有現(xiàn)代結(jié)構(gòu)形式的纏繞管換熱器。纏繞管換熱器在我國最早應(yīng)用于化肥合成工業(yè)中低溫甲醇洗工藝單元中。目前，隨著制造水平的不斷提升，國內(nèi)企業(yè)結(jié)合不同實(shí)際工況對(duì)纏繞管換熱器進(jìn)行了開發(fā)和創(chuàng)新設(shè)計(jì)，推出了一些新型結(jié)構(gòu)的纏繞管式換熱器，并在市場應(yīng)用中獲得了成功［3］。

1　纏繞管換熱器的結(jié)構(gòu)發(fā)展

傳統(tǒng)纏繞管換熱器大體有3種結(jié)構(gòu)：一是單股流纏繞管換熱器，二是帶有若干小管板結(jié)構(gòu)的多股流纏繞管換熱器，三是整體管板式多股流纏繞管換熱器。隨著強(qiáng)化傳熱理論和制造技術(shù)的不斷發(fā)展，纏繞管換熱器結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)多樣化，國內(nèi)廠家開發(fā)出了浮頭式、半浮頭式結(jié)構(gòu)、新型多股流結(jié)構(gòu)、真空保溫結(jié)構(gòu)、無管板結(jié)構(gòu)和帶豎直隔板結(jié)構(gòu)等類型［4，5］。

圖1　浮頭式雙管程纏繞管換熱器

1.1浮頭式雙管程結(jié)構(gòu)及半浮頭式結(jié)構(gòu)

纏繞管浮頭式雙管程換熱器［6］如圖1所示，換熱器殼體兩端通過法蘭分別連接左、右封頭，左封頭內(nèi)裝1個(gè)浮頭，浮頭通過法蘭與左管板連接，構(gòu)成換熱器的左管箱，并把管程與殼程流體分開，且浮頭可在左側(cè)殼體內(nèi)滑動(dòng)；右封頭通過法蘭夾持住右管板，與殼體固定在一起，并在管箱中設(shè)置一分程隔板，將管程分為雙程，在該封頭上隔板兩側(cè)分別焊接管程進(jìn)、出口接管。

該結(jié)構(gòu)形式換熱器具有以下優(yōu)點(diǎn)：該換熱管束及浮頭可從殼體右端抽出，以便進(jìn)行管外清洗；換熱器浮頭可在殼體內(nèi)自由滑動(dòng)，從而避免管束及殼體內(nèi)產(chǎn)生較大的熱應(yīng)力；換熱器采用雙管程結(jié)構(gòu)，可有效提高管內(nèi)流體流速，從而提高管內(nèi)對(duì)流換熱系數(shù)；換熱管常用螺旋纏繞式結(jié)構(gòu)，可增強(qiáng)換熱管內(nèi)流體流動(dòng)的湍流度，提高對(duì)流換熱系數(shù)，并增強(qiáng)換熱器工作時(shí)的穩(wěn)定性。

許倍強(qiáng)等［7］提出一種螺旋纏繞管半浮頭式換熱器，其主體結(jié)構(gòu)與上述浮頭式換熱器類似，二者的主要區(qū)別在于：一是半浮頭式換熱器為單管程結(jié)構(gòu)，管程進(jìn)出口接管安裝在兩側(cè)封頭上；二是半浮頭式換熱器的兩側(cè)封頭都是固定式，但左側(cè)封頭直徑小于筒體直徑；三是左側(cè)管板直徑小于筒體內(nèi)徑，可在筒體內(nèi)滑動(dòng)；四是左側(cè)封頭通過管箱法蘭、筒體內(nèi)法蘭采用沉頭螺栓與左側(cè)管板連接，如圖2所示。半浮頭式換熱器較浮頭式換熱器減少了一個(gè)左側(cè)封頭及右側(cè)的管箱隔板，使換熱器的結(jié)構(gòu)簡化，也降低了制造難度和制造成本。

圖2　半浮頭式換熱器的左側(cè)管板與封頭連接型式

1.2新型多股流結(jié)構(gòu)

多股流結(jié)構(gòu)不僅可以滿足多種流體之間的同時(shí)換熱，還能適應(yīng)不同的工藝流程中復(fù)雜的換熱工況，具有廣泛的適用性［8］。目前針對(duì)天然氣液化和低溫液氮等領(lǐng)域，已開發(fā)出適用于不同工藝流程的新型多股流纏繞管換熱器，歸納起來主要有兩大類結(jié)構(gòu)：單芯體結(jié)構(gòu)、多芯體結(jié)構(gòu)。

1.2.1單芯體結(jié)構(gòu)。目前，大型天然氣液化系統(tǒng)大多數(shù)采用整體換熱方式，造成換熱器的體積龐大，制造、安裝及運(yùn)輸麻煩，且不易檢測，維護(hù)困難。張周衛(wèi)等［9］提出了一種LNG低溫液化一級(jí)制冷四股流螺旋纏繞管式換熱器，如圖3（a）所示。該結(jié)構(gòu)的主要特征是：中心筒兩端分別用支撐圈固定于筒體的上部和下部，在上支撐圈與下支撐圈之間布置螺旋纏繞管束；筒體上部左側(cè)安裝流體A出口接管，右側(cè)安裝天然氣出口接管；筒體最上邊的2根接管分別是節(jié)流后的流體B和流體C的進(jìn)口接管；筒體中間的2根接管分別是流體B和流體C的出口接管；筒體下部左側(cè)是流體A進(jìn)口接管，右側(cè)是天然氣進(jìn)口接管；筒體下部中間左側(cè)安裝流體B進(jìn)口接管，下部中間右側(cè)安裝流體C進(jìn)口接管；耳座安裝在筒體的中部。

這種結(jié)構(gòu)根據(jù)LNG一級(jí)低溫液化的特征，可以通過使用3臺(tái)螺旋纏繞管換熱器分別應(yīng)對(duì)天然氣液化時(shí)的三段制冷工況。該四股流螺旋纏繞管換熱器，通過控制相變制冷流程，進(jìn)而控制天然氣預(yù)冷溫度及壓力，提高換熱效率，成功解決了天然氣一級(jí)的冷卻問題，且具有體積較小、換熱效率高、伸縮調(diào)整功能等優(yōu)點(diǎn)。

類似的結(jié)構(gòu)還有一種LNG低溫液化二級(jí)制冷三股流螺旋纏繞管換熱器［10］。該三股流結(jié)構(gòu)與上述四股流結(jié)構(gòu)的主要不同之處在于：四股流結(jié)構(gòu)在殼體的上、下端位置均連接有兩股纏繞管；而三股流結(jié)構(gòu)是在換熱器殼體的上、下端位置僅連接有一股纏繞管接管。

張周衛(wèi)等［11］提出了一種六股流四管束螺旋纏繞管式換熱器，該多股流纏繞管換熱器以串聯(lián)的形式將換熱器內(nèi)多股纏繞管管束繞在同一芯體上，如圖3（b）所示。該結(jié)構(gòu)的主要特征為：該結(jié)構(gòu)分為上下兩部分，且上下結(jié)構(gòu)不對(duì)稱，下部筒體比上部筒體直徑較大；換熱器上下部分共用一個(gè)芯體，下部設(shè)有四股管束接口，在換熱器的中部設(shè)有一出口接管，一股流體經(jīng)此流出，剩余三股沿芯筒繞至末端由上端接口分別引出。

該結(jié)構(gòu)換熱器具有結(jié)構(gòu)緊湊、效率高、換熱溫差大、自緊收縮調(diào)整等功能，能夠克服低溫液氮二級(jí)制冷技術(shù)難題，提高低溫液氮工藝系統(tǒng)的低溫回?zé)釗Q熱效率，解決高壓氮?dú)舛?jí)低溫回?zé)峒皟艋瘹忸A(yù)冷問題，為合成氨低溫液氮三級(jí)制冷裝置提供預(yù)冷條件。

1.2.2多芯體結(jié)構(gòu)。在合成氨及低溫液氮等領(lǐng)域，由于工藝復(fù)雜、設(shè)備龐大，張周衛(wèi)等［12，13］還提出了多芯體多股流結(jié)構(gòu)的纏繞管換熱器。如圖4（a）所示：一種具有雙芯體結(jié)構(gòu)的未變換氣冷卻器用低溫纏繞管式換熱器，該結(jié)構(gòu)主要特征是：換熱器分為上下兩個(gè)換熱單元，兩單元間的纏繞管部分互相獨(dú)立；下部的換熱單元是一單股流螺旋纏繞管換熱器，上部的換熱單元是一雙股流螺旋纏繞管式換熱器；上下兩單元共用一個(gè)筒體，且上部筒體直徑比下部大；兩換熱單元的獨(dú)立芯體上分別由支撐圈固定；上部雙股流纏繞管換熱器封頭處連接殼程進(jìn)口，下部單股流纏繞管換熱器的下方連接殼程出口；換熱器的下封頭處連接耳座。

圖3　單芯體纏繞管式換熱器

該結(jié)構(gòu)用1臺(tái)纏繞管換熱器就可滿足傳統(tǒng)未變換氣冷卻器的生產(chǎn)工藝，減少了換熱器的臺(tái)數(shù)，且結(jié)構(gòu)緊湊，增大了單位體積的換熱面積。另外，采用雙股流纏繞管式未變換氣冷卻器替代傳統(tǒng)的單股流列管式換熱器，換熱管熱膨脹可自行補(bǔ)償，換熱器易實(shí)現(xiàn)大型化。

圖4（b）所示為一種三芯體結(jié)構(gòu)——LNG低溫液化混合制液體多股流螺旋纏繞管換熱器。與雙芯體結(jié)構(gòu)類似，該結(jié)構(gòu)主要特征是：換熱器分為上中下三段，分別作為獨(dú)立的換熱區(qū)間；換熱器上段的殼體直徑較小，中、下段殼體直徑較大；每段對(duì)應(yīng)各自獨(dú)立的芯體和纏繞管；該結(jié)構(gòu)上部是一個(gè)雙股流纏繞管換熱器，中部是一個(gè)三股流繞管換熱器，下部是一個(gè)四股流繞管換熱器；殼程進(jìn)口位于上端左側(cè)，殼程出口位于下端封頭處；在筒體直徑漸變段及中下兩段之間都設(shè)置有殼程進(jìn)口。

圖4　多芯體纏繞管換熱器

1.3真空保溫結(jié)構(gòu)的雙股流結(jié)構(gòu)

張周衛(wèi)等［14］提出了一種帶真空絕熱層的雙股流低溫螺旋纏繞管式換熱器，該結(jié)構(gòu)主要包括：兩股螺旋纏繞管束和真空殼體，其結(jié)構(gòu)形式如圖5所示，主要特征為：殼體分為內(nèi)壓殼體和外壓殼體，上下內(nèi)封頭與管板采用焊接鏈接，兩殼體之間為真空結(jié)構(gòu)，且填充有珠光砂；在上管板處設(shè)有一排氣管，下管板處設(shè)有一排液管；外壓殼體底部設(shè)有一真空接管；隔板將上下封頭分為左右4個(gè)管箱，對(duì)應(yīng)不同的接管。該形式將整體式真空結(jié)構(gòu)應(yīng)用于雙股流螺旋纏繞管式換熱器，先制造芯體等內(nèi)部構(gòu)件，再組裝內(nèi)殼并進(jìn)行檢測，檢測合格后，制造并安裝真空外殼，實(shí)現(xiàn)換熱器的整體真空絕熱過程。

真空低溫絕熱技術(shù)［15］，是當(dāng)前低溫?fù)Q熱技術(shù)中控制環(huán)境熱量對(duì)內(nèi)傳熱的最佳手段，能夠顯著改善環(huán)境熱源通過傳導(dǎo)、輻射和對(duì)流等途徑對(duì)換熱器內(nèi)部的傳熱過程，與傳統(tǒng)的用毛細(xì)材料絕熱的方法相比，性能可以提高一個(gè)數(shù)量級(jí)，克服了真空絕熱技術(shù)不能與大型纏繞管式換熱器相結(jié)合等缺點(diǎn)，且保溫效果較好。

汪雅紅等［16］提出了一種帶真空絕熱層的單股流低溫螺旋纏繞管式換熱器，該形式類似與張周衛(wèi)提出的帶真空絕熱層雙股流低溫螺旋纏繞管式換熱器，主要包括螺旋纏繞管束和真空殼體，二者區(qū)別主要在于前者提出的是兩股螺旋纏繞管束，而后者提出的是單股螺旋纏繞管束。

圖5　帶有真空保溫層的雙股流纏繞管換熱器

1.4無管板式結(jié)構(gòu)

傳統(tǒng)的纏繞管換熱器采用焊接方式連接管板與換熱管，這種方式可以消除換熱管對(duì)管箱封頭與殼體封頭之間的應(yīng)力，但是該設(shè)計(jì)復(fù)雜，制造成本高。市場上普通纏繞管式換熱器只針對(duì)單一流體進(jìn)行換熱，不能滿足多種流體同時(shí)換熱需求。為解決傳統(tǒng)纏繞管浮頭式換熱器管板與封頭連接設(shè)計(jì)復(fù)雜、制造成本高、換熱流體單一的問題，梁淑幗等［17］發(fā)明了一種不帶浮頭管板、多種流體同時(shí)換熱的纏繞管換熱器。該新型纏繞管換熱器結(jié)構(gòu)如圖6所示，主要包括筒體、上下封頭和換熱元件。該結(jié)構(gòu)的特征為：上下兩封頭均設(shè)有一流體口，形成流體自上而下或自下而上的流體殼程；換熱元件包括至少一組螺旋纏繞管；換熱管的兩端與流體進(jìn)出口管焊接，且通過支撐結(jié)構(gòu)固定在筒體內(nèi)；為了使得工藝氣和流體在殼程內(nèi)同時(shí)換熱，該結(jié)構(gòu)上下封頭分別設(shè)有一工藝氣口。

該結(jié)構(gòu)形式的優(yōu)勢在于：換熱管兩端分別與流體進(jìn)出口管固定連接，省去了浮頭管板結(jié)構(gòu)，大大降低了制造的難度；管箱筒體上設(shè)有工藝氣進(jìn)出口管，可以進(jìn)行液-液、氣-液等不同物態(tài)換熱，且簡單高效；流體進(jìn)出口管可設(shè)置多組，可同時(shí)通入不同流體進(jìn)入管程換熱以滿足不同工藝條件的需求。

1.5帶豎直隔板結(jié)構(gòu)

陳杰等［18］提出了一種腔體內(nèi)設(shè)置豎直隔板的纏繞管換熱器，主要包括殼體、中心筒和換熱管。如圖7所示，中心筒設(shè)置于所述殼體的腔體內(nèi)，形成環(huán)腔，環(huán)腔內(nèi)纏繞換熱管。該結(jié)構(gòu)的主要特征是：環(huán)腔內(nèi)設(shè)有若干個(gè)以豎直的方式布置的金屬孔板，換熱管穿過金屬孔板上的通孔纏繞在中心筒上，層與層之間用墊條隔開；金屬孔板的一端焊接在殼體的內(nèi)壁，另一端焊接在中心筒的外壁，且孔板圍繞中心筒呈周向?qū)ΨQ布置；金屬孔板上方的腔體內(nèi)有一氣液均布器。

這種換熱器主要應(yīng)用于海上天然氣浮式平臺(tái)，與現(xiàn)有的纏繞管式換熱器相比，該結(jié)構(gòu)通過在腔體內(nèi)部豎直設(shè)置金屬孔板，將完整的一個(gè)腔體分隔成若干個(gè)獨(dú)立腔體，而各獨(dú)立腔體內(nèi)部的液體不會(huì)流入其他腔體中，能夠保證該腔體的殼側(cè)液體與該腔體的管內(nèi)液體換熱充分，不會(huì)因?yàn)閾Q熱器的傾斜導(dǎo)致原腔體內(nèi)部換熱失效。在海上晃蕩工況下，金屬隔板的布置能將殼體液膜區(qū)的覆蓋率提高20%以上，整體換熱性能也因此提高1/5。此外，該結(jié)構(gòu)中所有的繞管均需穿過金屬孔板固定，金屬孔板與中心筒和殼體焊接在一起，能夠承受的強(qiáng)度應(yīng)力較高，滿足于海上特殊的工況。

圖6　無管板式纏繞管換熱器

圖7　帶豎直隔板結(jié)構(gòu)

2　纏繞管式換熱器的發(fā)展趨勢

本文綜述了纏繞管換熱器的一些新型結(jié)構(gòu)，如浮頭式、半浮頭式結(jié)構(gòu)、多股流結(jié)構(gòu)、真空保溫結(jié)構(gòu)、無管板結(jié)構(gòu)和帶豎直隔板結(jié)構(gòu)及串聯(lián)多股流結(jié)構(gòu)等，著重描述了不同結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)、優(yōu)勢及主要適用的工況。

從當(dāng)前纏繞管換熱器的發(fā)展情況來看，浮頭式、半浮頭式結(jié)構(gòu)的出現(xiàn)，象征著纏繞管換熱器的結(jié)構(gòu)趨于容易拆卸、清洗的方向發(fā)展；不同形式多股流結(jié)構(gòu)的出現(xiàn)，表明纏繞管換熱器的結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)多股流、復(fù)雜化的變換趨勢；真空保溫結(jié)構(gòu)能夠使換熱器在工作過程中大大降低熱量的散失，表明纏繞管換熱器保溫的技術(shù)愈加進(jìn)步；針對(duì)海上平臺(tái)等特殊的工作環(huán)境，生產(chǎn)針對(duì)性具有豎直隔板結(jié)構(gòu)的換熱器，表明纏繞管換熱器針對(duì)特殊工況可以做出相應(yīng)的結(jié)構(gòu)改進(jìn)，來滿足實(shí)際的需求?？偟膩碇v，纏繞管換熱器形式朝著耐高溫、高壓的方向發(fā)展，其結(jié)構(gòu)及制作工藝愈加復(fù)雜化，同時(shí)能夠滿足更加苛刻的工藝要求。

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Development and Prospect of the Structure of Spiral-wound Heat Exchanger

Yang YukunWu JinxingNi Shuo
（Research Center of Energy-saving Technology of School of Chemical and Energy Engineering，Zhengzhou University，Zhengzhou Henan 450001）

Due to its excellent overall performance，the spiral-wound heat exchanger is widely used in industries such as chemical engineering，petroleum refining，air separation and liquefied natural gas，etc..With the development of enhanced heat transfer theory and manufacturing technology，more and more complex structure of the spiralwound tube heat exchanger was designed and manufactured，and it is becoming more and more diversified.The form of the spiral-wound heat exchanger gradually refined from the original three categories，such as the types of floating head and semi-floating head structures，vacuum insulation structure，no-tube-plate structure，and the band structure of the vertical separator type，in order to accommodate special technology and meet the need of different occasions. According to the current development trend，the the spiral-wound heat exchanger with the complex structure will adapt to the high temperature and high pressure in the future.

spiral-wound；heat exchanger；single-stream；multi-stream；floating head

TB657.5

A

1003-5168（2016）07-0074-05

2016-06-06

河南省重點(diǎn)科技攻關(guān)計(jì)劃項(xiàng)目（162102210006）；鄭州市產(chǎn)學(xué)研合作促進(jìn)計(jì)劃項(xiàng)目（152107000045）。

楊禹坤（1992-），男，碩士，研究方向：化工與能源。