纏繞管式換熱器性能及應(yīng)用研究進(jìn)展*

肖 娟 簡冠平 王家瑞 王斯民

(西安交通大學(xué)化學(xué)工程與技術(shù)學(xué)院)

纏繞管式換熱器性能及應(yīng)用研究進(jìn)展*

肖 娟**簡冠平 王家瑞 王斯民

(西安交通大學(xué)化學(xué)工程與技術(shù)學(xué)院)

介紹了纏繞管式換熱器的主要結(jié)構(gòu)形式，從實(shí)驗(yàn)研究和數(shù)值模擬兩方面綜述了纏繞管式換熱器的研究現(xiàn)狀。重點(diǎn)闡述了多股流纏繞管式換熱器的殼側(cè)傳熱模型和設(shè)計(jì)計(jì)算研究、幾何結(jié)構(gòu)參數(shù)對纏繞管式換熱器流動傳熱性能的影響和不同換熱管形式的纏繞管式換熱器研究?；谀壳叭〉玫难芯砍晒Y(jié)合纏繞管式換熱器的工程應(yīng)用現(xiàn)狀，指出了需要深入研究的方向和發(fā)展趨勢。

纏繞管式換熱器 實(shí)驗(yàn)研究 數(shù)值模擬 流動傳熱

纏繞管式換熱器是一種高效的緊湊式換熱器，于1895年由Linden公司研發(fā)使用，具有單位體積換熱面積大、傳熱系數(shù)高、允許操作壓力高及可實(shí)現(xiàn)多介質(zhì)同時(shí)換熱等優(yōu)點(diǎn)，廣泛運(yùn)用在低溫或深冷工段中，如液化天然氣、低溫甲醇洗、空氣分離及液氮洗等裝置[1～4]。由于結(jié)構(gòu)形式特殊，在一定程度上對其傳熱有強(qiáng)化作用，主要表現(xiàn)在纏繞管式換熱器結(jié)構(gòu)緊湊、單位體積換熱面積大和傳熱效率高；對于殼程，相鄰纏繞層之間纏繞方式相反，并且墊條等部件加大了殼程流體的擾動，易形成湍流；對于管程，流體在纏繞管內(nèi)呈螺旋流動，會形成二次流，使得管側(cè)膜傳熱系數(shù)提高，從而換熱系數(shù)增大，傳熱效率增加[5～7]。

近年來國內(nèi)外采用實(shí)驗(yàn)研究和數(shù)值模擬的方法對纏繞管式換熱器進(jìn)行了一些研究工作。自2004年Neeraas B O等公開LNG纏繞管式換熱器低溫實(shí)驗(yàn)，研究殼側(cè)傳熱模型以來，相繼對纏繞管式換熱器的傳熱模型和壓降模型進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，同時(shí)還研究不同換熱管形式下的纏繞管式換熱器[8，9]。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，數(shù)值模擬在纏繞管式換熱器中也得到了運(yùn)用，大量學(xué)者分析了纏繞管式換熱器幾何參數(shù)對流動傳熱的影響，為纏繞管式換熱器的結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供了信息，筆者將結(jié)合以上研究內(nèi)容，對目前纏繞管式換熱器的研究現(xiàn)狀和應(yīng)用發(fā)展進(jìn)行綜述。

1 纏繞管式換熱器的結(jié)構(gòu)

由于傳統(tǒng)管殼式換熱器的換熱管通常采用直管或U形管，考慮到如何在有限的空間內(nèi)使換熱管增長、單位體積的換熱面積增大，研發(fā)了一種新型纏繞管技術(shù)，因此出現(xiàn)了纏繞管式換熱器。纏繞管式換熱器主要由殼體、芯管和纏繞管束三大部分組成，纏繞管束以芯管為中心，一般呈現(xiàn)多層螺旋盤狀繞制，相鄰兩層間設(shè)有墊條，纏繞方向相反，為保證纏繞管均勻分布，使同層換熱管的纏繞角相同，其相鄰換熱管橫向管間距和縱向管間距保持不變。

纏繞管的纏繞形式有兩種，可利用傳統(tǒng)的單根繞制(圖1)，也可采用并管，即兩根或多根換熱管通過焊接形成并管(圖2)，然后繞制在芯管上，并管纏繞的特點(diǎn)是避免了殼程流動的死區(qū)，且通常用于管程介質(zhì)為兩種或以上的多股流換熱。關(guān)于并管纏繞形式，尹接喜等基于Kao S研究的適用于纏繞管式換熱器并管焊接在一起的傳熱模型，建立了一種適用于并管間存在一定距離的傳熱模型，為研究并管纏繞管式換熱器的設(shè)計(jì)計(jì)算奠定了基礎(chǔ)[10]。

圖1 單管纏繞管束剖面結(jié)構(gòu)

圖2 并管纏繞管束剖面結(jié)構(gòu)

基于傳統(tǒng)纏繞管式換熱器的結(jié)構(gòu)形式，隨著研究的不斷深入和設(shè)計(jì)制造技術(shù)的提高，出現(xiàn)了一些新型的纏繞管式換熱器，對目前纏繞管式換熱器的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改進(jìn)，但這些新型的纏繞管式換熱器的應(yīng)用受實(shí)際工程環(huán)境的影響較大。

傳統(tǒng)纏繞管式換熱器是多層纏繞，為保證換熱管固定，不在工作狀態(tài)下出現(xiàn)振動現(xiàn)象，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中相鄰層之間和同層換熱管之間都有支撐部件。當(dāng)殼層流通截面積較大時(shí)，需加大相鄰層間和同層換熱管間的間隙，但是一旦間隙加大，一方面會使殼層擾動減小、換熱性能降低；另一方面因加大了保持間隙的支撐結(jié)構(gòu)，且強(qiáng)度、剛度要求更高，制造成本也增加?；谝陨显?，許倍強(qiáng)等發(fā)明創(chuàng)造了一種螺旋纏繞管陣列式換熱器，該換熱器主要由殼體和螺旋管環(huán)束兩部分組成，螺旋管環(huán)束可有多層，每層由多根單螺旋管相互嵌插形成，該整體結(jié)構(gòu)使得殼程流道更分散，擾動效果更明顯[11]。

張明輝設(shè)計(jì)了一種螺旋螺紋管殼式換熱器(圖3)[12]，其特征是：每根換熱管在殼體內(nèi)呈螺旋盤管狀，換熱管呈環(huán)形層疊交叉排布，換熱管與管板采用強(qiáng)度焊固定連接，管殼層介質(zhì)進(jìn)出接管尺寸相同，位置對稱。該新型換熱器主要優(yōu)點(diǎn)表現(xiàn)在：換熱管采用小管徑的螺紋管，在殼體內(nèi)呈現(xiàn)的形式使換熱管具有一定的自行補(bǔ)償能力，可減少熱應(yīng)力，減小對換熱管的傷害；組件采用不銹鋼材料，耐腐蝕性能增強(qiáng)，但成本也相對較高；換熱管與管板之間密封性能好；流體進(jìn)出口接管采用對稱設(shè)計(jì)，安裝方便。SECEPOL公司也生產(chǎn)螺旋螺紋管殼換熱器，由于體積小，換熱性能高，目前已在制藥化工、暖通制冷及食品機(jī)械等行業(yè)得到運(yùn)用。但該換熱器難實(shí)現(xiàn)大型化，且內(nèi)部纏繞管間無支撐部件，易發(fā)生振動，導(dǎo)致?lián)Q熱器壽命縮短。

圖3 螺旋螺紋管殼式換熱器

纏繞管式換熱器的研究方法主要有實(shí)驗(yàn)研究和數(shù)值模擬兩種。研究內(nèi)容主要集中于以下幾個(gè)方面：多股流纏繞管式換熱器研究，結(jié)構(gòu)參數(shù)對纏繞管式換熱器流動傳熱的影響，纏繞管式換熱器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、計(jì)算方法以及傳熱強(qiáng)化等，筆者將從兩種研究方法出發(fā)，概述目前纏繞管式換熱器的研究現(xiàn)狀。

2 實(shí)驗(yàn)研究

多股流纏繞管式換熱器典型運(yùn)用是作為大型陸上LNG的主低溫?fù)Q熱器(MCHE)，LNG纏繞管式換熱器的換熱主要是天然氣的液化過程，溫度高的天然氣從換熱器底端進(jìn)入管程，溫度低的混合冷劑從頂部進(jìn)入殼程，天然氣由下至上分別經(jīng)過預(yù)冷段、深冷段和過冷段3部分，主要涉及到LNG低溫液化混合冷劑多股流換熱和混合冷劑節(jié)流制冷技術(shù)[13，14]。為研究LNG纏繞管式換熱器殼程的傳熱和壓降模型，Neeraas B O等利用搭建的實(shí)驗(yàn)裝置，測量了LNG纏繞管式換熱器殼側(cè)局部傳熱系數(shù)和摩擦壓力，并與已有文獻(xiàn)給出的半經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算值對比，以對計(jì)算模型進(jìn)行優(yōu)化，該實(shí)驗(yàn)在纏繞管式換熱器的研究中很有影響力，成為后來很多模擬研究中模型驗(yàn)證的有效支撐[8，9]。

在研究纏繞管式換熱器幾何結(jié)構(gòu)參數(shù)對流動和傳熱的影響上，Ghorbani N等通過實(shí)驗(yàn)的方法研究了纏繞管式換熱器在混合對流條件下，螺旋間距、管徑等對殼側(cè)傳熱系數(shù)的影響，研究表明管徑對殼側(cè)傳熱系數(shù)的影響可忽略，殼側(cè)對流傳熱系數(shù)隨著螺旋間距的增加而增大，纏繞表面積的增加使得表面對流傳熱系數(shù)降低[16]。

纏繞管式換熱器的強(qiáng)化傳熱可通過改進(jìn)換熱管形式得到提升，Gupta P K等研究了內(nèi)部具有一定粗糙度的翅片纏繞管式換熱器在管側(cè)雷諾數(shù)為3 000～30 000，殼側(cè)雷諾數(shù)為25～155下的壓降特性[17]。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，以往用于光管的經(jīng)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式無法適用于翅片纏繞管式換熱器管側(cè)的壓降計(jì)算，并且表面粗糙度對換熱性能的影響隨著di/Dm的增加而愈加明顯，文章根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)還提出了新的計(jì)算管側(cè)和殼側(cè)摩擦因子的關(guān)聯(lián)式。

通過實(shí)驗(yàn)方法能有效測定換熱器的性能，但是實(shí)驗(yàn)研究對裝置的條件要求較高，成本較大，因此一般可行性的實(shí)驗(yàn)對象為小型的纏繞管式換熱器，對工程運(yùn)用的大型纏繞管式換熱器只能基于此進(jìn)行定性分析，適用性還有待考察，因此實(shí)驗(yàn)研究方法具有局限性。

3 數(shù)值模擬

計(jì)算流體動力學(xué)(CFD)是隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)飛速發(fā)展而出現(xiàn)的一種獨(dú)立于理論分析和實(shí)驗(yàn)研究之外的第3種研究流體流動和換熱的研究方法，具有成本低、能模擬復(fù)雜或較理想狀態(tài)下的過程的特點(diǎn)。對換熱器的計(jì)算流體動力學(xué)模擬，可獲得其內(nèi)部的溫度場和流場特點(diǎn)，還能獲得其傳熱系數(shù)、壓降等數(shù)據(jù)，一次有效的模擬研究能為換熱器的設(shè)計(jì)提供一定的理論支持。

對于多股流纏繞管式換熱器的設(shè)計(jì)計(jì)算研究，張周衛(wèi)等在這方面做了許多工作，并申請了多項(xiàng)專利[18，19]。就雙股流纏繞管式換熱器而言，張周衛(wèi)等提出了一種適用于逆流換熱的雙股流纏繞管式換熱器的設(shè)計(jì)計(jì)算方法，利用數(shù)值模擬的方法，以一定的邊界條件，對管束內(nèi)溫度場、壓力場、流速及傳熱系數(shù)等進(jìn)行了分析，并以管內(nèi)介質(zhì)為甲醇冷卻變換氣為例，進(jìn)行了實(shí)例計(jì)算，同時(shí)還分析了以管徑為自變量的優(yōu)化設(shè)計(jì)[20]。除了多股流纏繞管式換熱器的設(shè)計(jì)計(jì)算研究，由于可采用小管板結(jié)構(gòu)，有學(xué)者也致力于管板的有限元應(yīng)力分析模擬，對管板結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化[21，22]。

目前眾多文獻(xiàn)中介紹了利用數(shù)值模擬的方法研究纏繞管式換熱器幾何參數(shù)對殼程流動傳熱的影響。對于多股流纏繞管式換熱器，Lu X等在文獻(xiàn)[23]中指出，單位長度的管殼側(cè)努塞爾數(shù)和壓力降隨著纏繞層數(shù)，芯管直徑和繞管外徑的增加而增加，但隨著墊條厚度和第1層管間距的增加而降低[23～25]。文獻(xiàn)[24]進(jìn)一步說明主要幾何結(jié)構(gòu)參數(shù)適宜的取值范圍，墊條厚度一般是2～3mm，第1層管間距的推薦值是使得纏繞角在5～15°范圍內(nèi)，該研究模型有文獻(xiàn)[8]的殼側(cè)傳熱模型作為實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，更具可靠性。賈金才模擬結(jié)果表明，隨著繞管外徑和徑向間距比的增加，表面對流換熱系數(shù)均降低；隨著軸向間距比的增加，對流換熱系數(shù)增加，但是影響不是特別顯著，而纏繞角度和同一層不同的纏繞圈數(shù)對傳熱特性影響較小[26]。魏江濤和曾桃利用不同的模型也得出了類似的結(jié)論[27]，但文獻(xiàn)[26，27]所建模型均未考慮墊條對流動傳熱的影響，同時(shí)文獻(xiàn)[26]由于主要研究殼程的流動和傳熱，在建模的時(shí)候?qū)Q熱管設(shè)為實(shí)心管，恒壁溫。季鵬等的研究也表明，小芯管直徑，小墊條厚度對流動傳熱有利[28]。

馬飛在研究螺旋纏繞圓管換熱器的殼側(cè)流動和傳熱的數(shù)值模擬基礎(chǔ)上，對比研究了兩種新型換熱管形式的纏繞管式換熱器(螺旋纏繞橢圓管換熱器和螺旋纏繞三葉管換熱器)，并建立了基于截面周長不變原則的截面參數(shù)不同的3種橢圓管和3種三葉管的殼側(cè)流動傳熱幾何模型，分析了雷諾數(shù)在2 000～10 000范圍內(nèi)，橢圓管、三葉管和圓管的殼側(cè)流動傳熱性能，發(fā)現(xiàn)三葉管的綜合性能最好[29]。基于殼側(cè)研究的相同幾何模型，還對螺旋纏繞橢圓管和螺旋纏繞三葉管的管內(nèi)流動與傳熱進(jìn)行了數(shù)值模擬研究。

4 纏繞管式換熱器的應(yīng)用及發(fā)展趨勢

4.1 纏繞管式換熱器應(yīng)用

纏繞管式換熱器由于結(jié)構(gòu)緊湊、換熱效率高、冷熱端溫差小、管內(nèi)操作壓力高及可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，在石油化工、食品機(jī)械、暖通空調(diào)及醫(yī)藥等行業(yè)均具有廣泛應(yīng)用，其適用溫度、壓力范圍非常廣。

在低溫裝置中，如低溫甲醇洗、低溫液氮工藝及LNG等，張周衛(wèi)等研發(fā)了系列纏繞管式換熱器，并對其結(jié)構(gòu)特征和設(shè)計(jì)原理進(jìn)行了說明，以便為低溫用纏繞管式換熱器的設(shè)計(jì)計(jì)算提供參考[30～32]。在天然氣汽化裝置中采用纏繞管水浴式汽化器可有效防止結(jié)冰[33]。Truong T等發(fā)明了一種用于LNG的纏繞管式換熱器系統(tǒng)，根據(jù)給定的結(jié)構(gòu)尺寸可使傳熱效率和生產(chǎn)效率更高[34]。

纏繞管式換熱器除了應(yīng)用在深冷、低溫裝置中，近年來也逐漸由低溫領(lǐng)域向中高溫區(qū)域發(fā)展。在熔鹽應(yīng)用中，展現(xiàn)了它在換熱面積、壓力降等方面的優(yōu)勢[35]。在臨氫系統(tǒng)中，如加氫裂化裝置，連續(xù)重整裝置上也逐漸代替以前的傳統(tǒng)換熱器，同時(shí)采用CrMo作耐高溫材料，在化肥加氫裝置上出現(xiàn)了首臺15CrMo纏繞管式換熱器進(jìn)行高溫?fù)Q熱。

纏繞管式換熱器其纏繞管一般采用銅、鋁或不銹鋼等制造，其應(yīng)力強(qiáng)度高，由于纏繞管束的補(bǔ)償性能良好，因此可承受較大的操作壓力，目前國內(nèi)外制造的纏繞管式換熱器可實(shí)現(xiàn)的最大操作壓力為22MPa。高壓纏繞管式換熱器的典型代表是開封空分集團(tuán)研發(fā)的運(yùn)用于空氣分離的高壓纏繞管式換熱器。

運(yùn)用于石油化工行業(yè)的纏繞管式換熱器較為大型，而在制藥、暖通及食品行業(yè)運(yùn)用多為小型化的纏繞管式換熱器，如SECEPOL公司的JAD系列螺旋螺紋管式換熱器，被稱為歐洲的“蒸汽王子”。

4.2 纏繞管式換熱器發(fā)展趨勢

纏繞管式換熱器由于結(jié)構(gòu)特殊，具有優(yōu)越的傳熱性能，在工業(yè)生產(chǎn)中具有廣闊的應(yīng)用前景，因此為滿足多元化的工藝場合，需要加大對纏繞管式換熱器結(jié)構(gòu)性能的完善，基于高質(zhì)量的機(jī)械加工技術(shù)，除了實(shí)現(xiàn)纏繞管式換熱器的高壓化、高溫化、大型化及多股流化等趨勢，也可以使纏繞管式換熱器在以下幾個(gè)方面有更大的突破。

4.2.1防結(jié)垢

隨著纏繞管式換熱器運(yùn)用范圍的擴(kuò)大，也逐漸出現(xiàn)在LNG、柴油加氫及芳烴等裝置中，但是在這些領(lǐng)域的運(yùn)用中，由于介質(zhì)粘性更大，更容易產(chǎn)生污垢，而結(jié)垢會使污垢熱阻增加，傳熱系數(shù)降低，直接影響傳熱性能，使得傳熱效率下降，同時(shí)也會導(dǎo)致流動阻力增加，使得耗能增加，并且由于纏繞管式換熱器是緊湊式換熱器的一種，很難進(jìn)行清洗，因此會使設(shè)備維護(hù)更加困難。由此，隨著工業(yè)加工技術(shù)的發(fā)展，有必要使纏繞管式換熱器防結(jié)垢的特點(diǎn)優(yōu)化，以滿足更廣泛的工程應(yīng)用需求。

4.2.2防泄漏

纏繞管式換熱器的泄漏區(qū)域主要可能出現(xiàn)在纏繞管與管板連接處和纏繞管束的損壞[36]。目前許倍強(qiáng)等研究發(fā)明了一種雙管板纏繞管式換熱器，該換熱器利用雙管板能形成一段空區(qū)，有效防止管殼程介質(zhì)混合和避免因少量泄漏而產(chǎn)生的危害[37]。對于換熱管損壞產(chǎn)生的泄漏，可以通過改善纏繞管材料或改進(jìn)纏繞技術(shù)來避免。

4.2.3防振動

換熱器的振動破壞是換熱器事故中一個(gè)重要因素，一般會導(dǎo)致管子碰撞損傷、疲勞破壞及聲振動等。在換熱器內(nèi)，由于流體流動會產(chǎn)生動態(tài)力作用在管子上，使得管子振動，此即為流體的誘導(dǎo)振動。在纏繞管式換熱器內(nèi)，雖然纏繞管束具有一定的彈性段，對振動有一定的影響，但是對管束的振動分析和防振措施依舊是一個(gè)重要的研究方向。

4.2.4節(jié)能

能量回收是一種高效利用能源的方法，在多股物流的換熱系統(tǒng)中，將物流進(jìn)行合理地匹配，充分利用熱物流去加熱冷物流，提高換熱過程中的熱回收率，減少公用工程加熱負(fù)荷和公用工程冷卻負(fù)荷，在換熱網(wǎng)絡(luò)合成中應(yīng)用最為廣泛的方法是夾點(diǎn)技術(shù)，因此對于多股流纏繞管式換熱器，可以考慮利用夾點(diǎn)技術(shù)進(jìn)行換熱網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化以達(dá)到節(jié)能的目的。

5 結(jié)束語

纏繞管式換熱器基于自身獨(dú)特的結(jié)構(gòu)形式，在傳熱性能、抗高壓及低溫應(yīng)用等方面，相比普通的管殼式換熱器具有一定的優(yōu)勢，并且隨著生產(chǎn)需求的加大，機(jī)械加工技術(shù)的提高，不斷涌現(xiàn)一些結(jié)構(gòu)更完善或更新穎的纏繞管式換熱器。目前纏繞管式換熱器的研究現(xiàn)狀，主要集中于纏繞管式換熱器的設(shè)計(jì)計(jì)算和結(jié)構(gòu)對流動傳熱性能的影響，基于以上可對纏繞管式換熱器的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，以成為更高效節(jié)能的換熱設(shè)備。盡管如此，目前國內(nèi)外對纏繞管式換熱器的研究相比于普通管殼式換熱器依舊不夠成熟，但這也正是學(xué)者們需要積極努力的方向。

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ProgressinPerformanceandApplicationStudyfor
Wound-tubeHeatExchanger

XIAO Juan, JIAN Guan-ping, WANG Jia-rui, WANG Si-min

(SchoolofChemicalEngineeringandTechnology,Xi’anJiaotongUniversity,Xi’an710049,China)

The main structure of wound-tube heat exchanger was introduced; and experimental study and numerical simulation of wound-tube heat exchanger were expounded, and the emphases were given to the shell-side heat transfer models and design calculation of multi-stream coil-wound heat exchangers, including the geometrical parameters’ effects on heat transfer performance and the types of the heat exchange pipe. Basing on the research achievements and considering its engineering application, the direction of further research and development was proposed.

wound-tube heat exchanger, experimental study, numerical simulation, flowing heat transfer

*國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51106199，81100707)，教育部博士點(diǎn)基金項(xiàng)目(20110201120052)，中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)基金項(xiàng)目。

**肖 娟，女，1992年11月生，碩士研究生。陜西省西安市，710049。

TQ051.5

A

0254-6094(2016)04-0423-06

2015-12-18，

2016-07-15)

聲明

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*中海油總公司項(xiàng)目(CNOOC-KJ 125 ZDXM 25 JAB NFCY 2013-01)。