繞管式換熱器的結(jié)構(gòu)形式分析及應(yīng)用前景

馬鳳艷

摘要：當(dāng)前繞管式換熱器在化工生產(chǎn)中得到了廣泛的應(yīng)用，并在其中發(fā)揮了不可或缺的重要作用，其不僅能夠快速的適應(yīng)惡劣的生產(chǎn)條件，還能自動(dòng)消解運(yùn)行中產(chǎn)生的熱應(yīng)力，且不存在流動(dòng)死區(qū)。本文主要對(duì)繞管式換熱器的結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行了詳細(xì)的介紹，對(duì)其工作效率的強(qiáng)化措施進(jìn)行了深入的分析，并對(duì)繞管式換熱器的未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了探究，旨在為相關(guān)領(lǐng)域的應(yīng)用提供更有價(jià)值的參考建議。

關(guān)鍵詞：繞管式換熱器；結(jié)構(gòu)形式分析；應(yīng)用前景

1.繞管式換熱器的結(jié)構(gòu)形式分析

1.1 結(jié)構(gòu)構(gòu)成原理

繞管式換熱器（SWHE）與常規(guī)的列管式換熱器比較具有較高的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)，其特殊的纏繞盤(pán)管結(jié)構(gòu)不僅能夠適應(yīng)較廣的溫度條件，能夠有效的抵抗熱應(yīng)力，而且具備較高的緊湊度可促使其流場(chǎng)充分發(fā)展，不存在任何的流動(dòng)死角。在繞管式換熱器結(jié)構(gòu)中最為重要的是可利用多股管程的設(shè)置，實(shí)現(xiàn)在同一臺(tái)設(shè)備內(nèi)多股流體同時(shí)換熱的功能。繞管式換熱器主要在芯筒與外筒之間的空腔內(nèi)將傳熱管以螺旋線(xiàn)交替纏繞的方式布置，而且相鄰兩層螺旋狀傳熱管的纏繞方向是相對(duì)的，并在其中設(shè)置了定距件，使得兩層之間能夠保持固定的距離。

繞管可由一根管材纏繞構(gòu)成，也可由兩根或多根管材組合起來(lái)焊接后纏繞而成。管內(nèi)只能流通一種介質(zhì)的稱(chēng)之為單通道型繞管式換熱器；管內(nèi)可通過(guò)多種不同介質(zhì)，且每種介質(zhì)流經(jīng)傳熱管后最終匯聚于管板上各自的區(qū)域，這種換熱器被稱(chēng)之為多通道型纏繞管式換熱器。其與常用的列管式換熱器不同的地方在于，繞管式換熱器的換熱管有所增長(zhǎng)，可確保物料有充足的空間進(jìn)行流通和熱交換，同時(shí)還要確保殼程內(nèi)流體壓力始終為此平衡，從而保證熱能均勻的散布其中，如此一來(lái)就能促使換熱效率、傳熱能力得到顯著的提升。

1.2 繞管式換熱器的技術(shù)特色分析

繞管式換熱器具備的技術(shù)特色或者說(shuō)技術(shù)的精妙之處主要有三點(diǎn)：精準(zhǔn)的換熱管間距、合理的管層數(shù)量及層間距、全自動(dòng)化的機(jī)器人焊接流程。

（1）精準(zhǔn)的換熱管間距

繞管通常采用的材料為不銹鋼管材，不銹鋼材料容易產(chǎn)生冷作硬化，彎曲時(shí)具有各向異性，所以在進(jìn)行彎曲或纏繞時(shí)是非常有難度的，同時(shí)還要確保所有換熱管的間距保持一致，這無(wú)疑是難上加難，為此不僅需要在繞管加工過(guò)程中有先進(jìn)的技術(shù)提供支持，還要有豐富的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)提供指導(dǎo)。而當(dāng)前采用國(guó)外引進(jìn)的高精度設(shè)備及纏繞工藝為繞管的生產(chǎn)奠定了基礎(chǔ)。

（2）合理的管層數(shù)量及層間距

在換熱管的纏繞過(guò)程中，每層對(duì)應(yīng)管材的纏繞內(nèi)徑都在不斷地變化，而且還要時(shí)刻保證纏繞角度的統(tǒng)一性，但是要保證所有換熱管長(zhǎng)度一致是極其困難的。而只要將每層設(shè)置不同數(shù)量的換熱管，并確保層間距的合理性就能夠有效的解決這一問(wèn)題，同時(shí)還能完美化解復(fù)雜換熱條件下的流道設(shè)置問(wèn)題。

（3）全自動(dòng)化的機(jī)器人焊接流程

在繞管式換熱器生產(chǎn)過(guò)程中，基本上都是自動(dòng)化控制操作，而且制備時(shí)均由全自動(dòng)化機(jī)器人進(jìn)行焊接操作，不僅保證了管板焊接的標(biāo)準(zhǔn)化、統(tǒng)一化，還為生產(chǎn)操作的安全性奠定了基礎(chǔ)。

1.3 繞管式換熱器應(yīng)用優(yōu)勢(shì)分析

①繞管式換熱器結(jié)構(gòu)緊湊，其單位容積內(nèi)的傳熱面積相對(duì)較大。如傳熱管的內(nèi)徑在8-12mm之間，那么每立方米容積的傳熱面積在100-170m2。②繞管式換熱器可允許多種介質(zhì)同時(shí)進(jìn)行熱量的交換與傳遞。③繞管式換熱器管內(nèi)可允許的操作壓力較高，現(xiàn)行的最高操作壓力在20MPa以上。④繞管式換熱器管內(nèi)的熱膨脹可自行補(bǔ)償；繞管式換熱器可進(jìn)行大規(guī)模、大體積的優(yōu)化應(yīng)用。

2.繞管式換熱器類(lèi)型及特性分析

（1）光管繞管

光管繞管是繞管式換熱器的主要結(jié)構(gòu)形式，因此相關(guān)領(lǐng)域?qū)τ诠夤芾@管的研究較多。通過(guò)ANSYS針對(duì)繞管換熱器構(gòu)建了管板結(jié)構(gòu)模型，對(duì)管板的應(yīng)力場(chǎng)進(jìn)行了科學(xué)的分析，對(duì)于管板的應(yīng)力分布清晰的呈現(xiàn)出來(lái)。其中在光管繞管的過(guò)渡圓角處存在最大應(yīng)力；管板與筒體的焊接處較為薄弱。由于焊接處出現(xiàn)應(yīng)力疊加的現(xiàn)象，所以必須要針對(duì)應(yīng)力分布結(jié)果對(duì)管板結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，從而對(duì)管板厚度進(jìn)行優(yōu)化，不僅節(jié)約了材料成本的投入，還能促使管板受力更加均勻。

（2）螺紋繞管

螺紋繞管與光管繞管相比，不僅內(nèi)外傳熱面積有所增加，還可緩解管內(nèi)流體影響傳熱性能，同時(shí)在管內(nèi)過(guò)渡區(qū)的層流形成縱向漩渦，使得管內(nèi)流體的湍動(dòng)不斷增強(qiáng)，繼而提升換熱系數(shù)。而且繞管的螺紋結(jié)構(gòu)可提升換熱強(qiáng)度，其傳熱能力為光滑直管的2-10倍；壓降為光滑直管的1-1.5倍，促使最終的傳熱性能達(dá)到了25倍，但與此同時(shí)摩擦系數(shù)會(huì)增加了2.5倍。

（3）套管式繞管

將兩個(gè)同心管纏繞起來(lái)構(gòu)成套管式繞管，將一種流體輸入管內(nèi)，再將另一種流體輸入管間，通過(guò)湍流模型對(duì)管內(nèi)的湍流動(dòng)態(tài)、換熱性能進(jìn)行模擬，將高壓氣體輸入到管內(nèi)，壓力范圍設(shè)置為10-30bar，雷諾數(shù)范圍為20000-70000，管間流通的是與環(huán)境溫度相同的冷水，流量設(shè)置為200-600kg/h。將環(huán)形擋板設(shè)置于內(nèi)外管之間，不僅可以提高管內(nèi)的支撐力，還能增強(qiáng)管內(nèi)流體的湍動(dòng)性。

（4）并管繞管

并管繞管主要由兩根換熱管焊接構(gòu)成的，并管結(jié)構(gòu)在多股流體換熱器中可有效拓展流體通道，其中換熱方式主要應(yīng)用于三種以上流體同時(shí)換熱的工藝中，且管間釬焊能夠促使各流體間的導(dǎo)熱效率得到提升。然而采用殼側(cè)傳熱計(jì)算較為復(fù)雜、繁瑣，所以最好采用比擬法對(duì)殼側(cè)傳熱進(jìn)行計(jì)算，將虛擬圓管的面積與并管面積設(shè)置一致，根據(jù)環(huán)管間的傳熱公式對(duì)殼側(cè)傳熱進(jìn)行計(jì)算，并將空氣作為介質(zhì)證實(shí)模型的有效，可靠性。

（5）翅片繞管

翅片繞管在管殼式換熱器、鍋爐等設(shè)備中得到了有效的應(yīng)用，尤其外翅片繞管不僅能夠拓寬管外的傳熱面積，還能提升殼程流體湍動(dòng)程度。其與光滑直管相比，在粘性流體繞管中發(fā)揮的優(yōu)勢(shì)更加顯著，而且粘性流體會(huì)形成與流動(dòng)方向垂直的應(yīng)力，從而產(chǎn)生二次流增強(qiáng)換熱。

3.繞管式換熱器的應(yīng)用前景分析

（1）繞管式換熱器的大型化趨勢(shì)

由于繞管式換熱器結(jié)構(gòu)有其獨(dú)特的屬性，雖然換熱管的封頭體積較小，但是管子長(zhǎng)度多則百米以上，而現(xiàn)階段一些大型的繞管式換熱器在市場(chǎng)上不斷地涌現(xiàn)。隨著裝置體積的不斷增大，需要繞管換熱器的體積隨之不斷增大。而普通的列管式換熱器因管子長(zhǎng)度受限，其相應(yīng)的換熱器難以進(jìn)行大型化發(fā)展。

（2）繞管式換熱器的新型化趨勢(shì)

雖然繞管式換熱器在化工領(lǐng)域已得到了有效的應(yīng)用，但是依然存在諸多的不足需要不斷地改善。當(dāng)前繞管式換熱器種類(lèi)繁多、形式各異，按照具體的工況設(shè)置相應(yīng)類(lèi)型的換熱器繼而獲得更好的效果。對(duì)于新型換熱器的優(yōu)化設(shè)計(jì)，可通過(guò)測(cè)試或數(shù)值模擬的方法驗(yàn)證。尤其是在測(cè)試難以進(jìn)行的時(shí)候，便可通過(guò)CFD方法構(gòu)建理論模型，利用數(shù)值方法將繞管式換熱器的流體狀態(tài)、傳熱過(guò)程、傳質(zhì)過(guò)程、受力情況進(jìn)行仿真模擬分析，從而為繞管式換熱器的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供參考依據(jù)。此外，不僅要對(duì)繞管式換熱器的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，也可將其與強(qiáng)化傳熱技術(shù)進(jìn)行有效的融合，例如：可對(duì)換熱管的粗糙表面、擴(kuò)展表面加以利用，包括螺紋管、翅片管、波紋管等；在換熱管內(nèi)增設(shè)擾流裝置，促使流體的湍動(dòng)力不斷提升，繼而對(duì)管壁附近的流體流層進(jìn)行破壞，提高換熱系數(shù)。

（3）繞管換熱器的高溫化趨勢(shì)

繞管式換熱器最為關(guān)鍵的功能就是具備高效的換熱性能，但是其主要設(shè)置于深冷裝置中，直至21世紀(jì)初有部分企業(yè)開(kāi)始將注意力投入到可在高溫條件下應(yīng)用的繞管式換熱器的研究中，并且在次年就進(jìn)行了相關(guān)化工生產(chǎn)的應(yīng)用，這種換熱器材質(zhì)主要為CrMo鋼耐高溫材料。通過(guò)了很長(zhǎng)一段時(shí)間的應(yīng)用證實(shí)，此換熱器的性能符合相關(guān)規(guī)定的使用要求，并且具備較高的耐久性和實(shí)用性。這種產(chǎn)品應(yīng)用的效果進(jìn)一步推動(dòng)了繞管式換熱器的不斷發(fā)展，使其可以跨越多檔溫度范圍進(jìn)行有效的應(yīng)用。若在介質(zhì)允許的條件下，也可將繞管式換熱器應(yīng)用于煉油行業(yè)。

（4）繞管式換熱器的高壓化趨勢(shì)

當(dāng)前繞管式換熱器在應(yīng)用過(guò)程中，更多的適用于殼程壓力高、管程壓力低的條件下，通常殼程壓力上升到15.0MPa，但是管程壓力卻低于5.0MPa。由于繞管式換熱器具備管板面積小、殼程壓力大、兩端封頭小等結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，為此采用這樣的結(jié)構(gòu)能夠彌補(bǔ)普通高壓換熱器存在的不足。普通高壓換熱器通常應(yīng)用的結(jié)構(gòu)形式有兩種：浮頭式、U形管式，當(dāng)壓力不斷上升時(shí)，不僅需要加大殼體的厚度，還要不斷地提升法蘭的強(qiáng)度等級(jí)，導(dǎo)致法蘭厚重，成本嚴(yán)重增加。而繞管式換熱器可對(duì)加長(zhǎng)的管長(zhǎng)進(jìn)行充分的利用而不斷拓展其面積，而且兩端小管板也會(huì)促使連接的法蘭減小，使得工藝制作更加的簡(jiǎn)捷，節(jié)約成本。當(dāng)前國(guó)內(nèi)煉油行業(yè)開(kāi)始將繞管式換熱器慢慢取代部分高壓換熱器，例如：加氫裂化、重整裝置等。

結(jié)束語(yǔ)：

綜合以上研究可以發(fā)現(xiàn)，繞管式換熱器具備較高的優(yōu)勢(shì)，雖然當(dāng)前主要應(yīng)用于化肥合成氨裝置中甲醇洗工藝流程中，但是通過(guò)結(jié)構(gòu)形式的不斷優(yōu)化，在不久的將來(lái)其應(yīng)用的領(lǐng)域?qū)?huì)更加的廣泛，只要對(duì)繞管式換熱器的結(jié)構(gòu)形式、技術(shù)特點(diǎn)、應(yīng)用優(yōu)勢(shì)，及工作效率的提升對(duì)策進(jìn)行有效的掌握，就能夠?qū)@管式換熱器進(jìn)行合理、有效的應(yīng)用，并確保其發(fā)揮更高的效用。

參考文獻(xiàn)：

[1]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（2）：38-42.

[2]鮑守珍. 繞管式換熱器的結(jié)構(gòu)形式分析及應(yīng)用前景[J]. 儷人：教師，2015（22）：343-343.