煤化工大型纏繞管式換熱器的設(shè)計(jì)與制造

陳施光

（中國(guó)昆侖工程有限公司，北京 100037）

纏繞管換熱器是一種高效緊湊的換熱器，主要由殼體、換熱管、中心筒、墊片和管板等組成，它不僅傳熱性能好，而且對(duì)變負(fù)荷的適應(yīng)性強(qiáng)，以及運(yùn)行特性可靠。因此，在我國(guó)煤炭深加工、煉油、天然氣等領(lǐng)域具有良好的應(yīng)用前景。

1 纏繞管式換熱器的發(fā)展過(guò)程

1898 年，林德公司開(kāi)發(fā)了世界上第一臺(tái)繞管式換熱器，由兩個(gè)同心圓管組成。內(nèi)管內(nèi)充高壓空氣，管內(nèi)充低壓冷空氣。在結(jié)構(gòu)不斷改進(jìn)的基礎(chǔ)上，研制了蛇形管纏繞式換熱器。熱交換器由內(nèi)向外纏繞在中心管上，形成纏繞管式熱交換器。

20 世紀(jì)70 年代，我國(guó)開(kāi)始探索換熱器管的國(guó)有化；80年代，開(kāi)封空氣集團(tuán)開(kāi)發(fā)了國(guó)內(nèi)第一條盤(pán)繞式換熱器管，并開(kāi)展了工業(yè)化研究。1996 年，寧夏化肥廠開(kāi)始了高壓換熱器的發(fā)展。寧夏化肥廠甲醇洗工段4115E7，可生產(chǎn)一臺(tái)換熱器。20 世紀(jì)90 年代，開(kāi)封空分集團(tuán)開(kāi)發(fā)了世界上第一臺(tái)多流換熱器，高壓纏繞管，已完成國(guó)家“95”科技攻關(guān)項(xiàng)目，實(shí)現(xiàn)了多流換熱器、高壓纏繞管的國(guó)產(chǎn)化。

2 纏繞管式換熱器結(jié)構(gòu)構(gòu)成

纏繞管換熱器是在芯管與外管間按螺旋形狀交替纏繞的一種換熱管。相鄰兩個(gè)螺旋換熱管的螺旋方向相反，采用一定形狀的定距件使之保持一定距離。纏繞管可采用單纏繞或兩組或兩組以上的焊管組合而成，管內(nèi)可采用單通道纏繞式換熱器，管內(nèi)可采用幾種不同的介質(zhì)。通過(guò)各介質(zhì)的傳熱管組裝在各自的管板上，形成多通道纏繞管式換熱器。此外，纏繞管換熱器還適用于多種介質(zhì)同時(shí)處理、小溫差大傳熱、管內(nèi)介質(zhì)工作壓力高的場(chǎng)合，如用于制氧等低溫過(guò)程的換熱器。

3 纏繞管式換熱器優(yōu)點(diǎn)

（1）結(jié)構(gòu)緊湊，單位體積傳熱面積多，占地面積小，易于實(shí)現(xiàn)大規(guī)模。

（2）傳熱系數(shù)高。相鄰兩個(gè)換熱管的纏繞方向相反，改變了流體的流動(dòng)狀態(tài)，在換熱管殼程中引起強(qiáng)烈的湍流。由于換熱器管內(nèi)螺旋流的增強(qiáng)，管程傳熱膜系數(shù)也得到了提高。此外，墊片等部件不斷干擾殼程的流動(dòng)，這些因素的綜合作用可以顯著提高纏繞管換熱器的傳熱性能。

（3）傳熱溫差小，傳熱效率高。當(dāng)靠近殼程的流體流動(dòng)接近逆流換熱時(shí)，換熱溫度差較小，端部的換熱溫度差僅為2℃。

（4）很好的補(bǔ)償。換熱管末端有一定長(zhǎng)度的自由彎曲段。換熱器的熱膨脹可以部分自行補(bǔ)償，減少了換熱器與管板膨脹差引起的應(yīng)力，減小了管板的設(shè)計(jì)厚度，降低了換熱器管與管板焊接接頭泄漏的可能性。

（5）不容易縮放。換熱管內(nèi)的流動(dòng)是螺旋形的，在通道的橫截面上形成二次流。同時(shí)，殼程流體在層間形成湍流，降低了流體與壁面之間的黏附力，不易結(jié)垢。

（6）耐高壓。因換熱管在管側(cè)直徑較小，能承受較高的壓力，工作壓力可達(dá)22MPa。

4 工藝計(jì)算

纏繞管式換熱器的工藝計(jì)算有3 個(gè)難點(diǎn)：（1）以介質(zhì)的物理參數(shù)為輸入條件；（2）結(jié)構(gòu)特性的計(jì)算；（3）傳熱和流體流動(dòng)模型的建立。根據(jù)大量的物理性能試驗(yàn)數(shù)據(jù)，從理論上計(jì)算了甲醇洗滌系統(tǒng)所涉及的液體介質(zhì)和7 種氣體介質(zhì)（氫、氮、氬、甲烷、一氧化碳、二氧化碳、硫化氫）的物理性能，考慮了高壓和低溫條件對(duì)材料物理性能的影響，擬合了相應(yīng)的理論方程，為模型的建立提供了輸入保證。

科學(xué)地建立了纏繞管式換熱器殼程流動(dòng)的特征參數(shù)；以相鄰換熱器管的相對(duì)位置為主要影響參數(shù)，采用通道積分法確定相鄰換熱器管間距，采用殼程計(jì)算方法在梅薩試驗(yàn)的基礎(chǔ)上提出了流量區(qū)。

在建立殼程傳熱系數(shù)時(shí)，利用流體與直管束交叉流動(dòng)的傳熱膜系數(shù)模型，建立由線圈層和管束組成的管束外側(cè)流體流動(dòng)的基本模型。該模型主要考慮了由線圈層組成的管束特征數(shù)和線圈繞制角度對(duì)實(shí)際流量的影響，構(gòu)成了線圈的傾斜修正系數(shù)。同時(shí)，由于換熱管的布置(非管板布置)在同一直線和交錯(cuò)之間，使流動(dòng)通道比較復(fù)雜。采用管排修正系數(shù)進(jìn)行數(shù)值積分，確定影響殼程傳熱的另一個(gè)因素。在上述模型的前提下，通過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的修正，得到了較為滿意的理論公式。

在傳熱系數(shù)的確定中，利用管內(nèi)流體流動(dòng)的傳熱膜系數(shù)方程，選取管束的平均直徑作為纏繞特性，計(jì)算比較各層的傳熱膜系數(shù)。

在兩相流計(jì)算中，將管內(nèi)沸騰和池內(nèi)沸騰結(jié)合起來(lái)，設(shè)計(jì)一種基于Dengler 的兩相強(qiáng)制對(duì)流模型。

5 制造工藝

圖1 繞管式換熱器管束圖

（1）管束纏繞。在纏繞式換熱器的制造中，最重要的是管束的纏繞(圖1),繞管有較高的要求：①間距均勻，即繞管后各管的間隙應(yīng)控制在一定范圍內(nèi)，不應(yīng)過(guò)大或過(guò)小，否則會(huì)引起甲醇偏差，從而影響傳熱效果。②端管的彎曲應(yīng)自然過(guò)渡，管子在通過(guò)管板前必須經(jīng)過(guò)多次彎曲。在彎曲過(guò)程中，必須光滑自然，以免造成更大的內(nèi)應(yīng)力或影響管子的外觀。③異形帶起著定位管道的作用，必須均勻分布，并保持螺旋角與管道相同，在接觸點(diǎn)處過(guò)渡平滑。④由于供管為盤(pán)形，在進(jìn)入卷位前需設(shè)置矯直機(jī)構(gòu)。除矯直外，還可起到預(yù)緊作用，從而防止繞管時(shí)出現(xiàn)回彈現(xiàn)象。⑤管內(nèi)各階段的管式換熱器均合理導(dǎo)向相應(yīng)的板面積。⑥繞組中最常見(jiàn)的問(wèn)題是“啞鈴”型梁，其平均尺寸大而小。因此，在繞制過(guò)程中，必須防止管兩端的外球進(jìn)入芯部。

（2）噴嘴的焊接和膨脹。為了提高焊接的可靠性，采用了雙層焊、一層熔化焊和二層填充絲焊。焊接要求如下：①盡量避免焊接接頭縱縫；②為控制電流，焊接接頭必須穿透，但不能穿透管壁；③熔化焊接后，進(jìn)行著色，以確認(rèn)涂層合格。

（3）脹接。脹接也是接頭密封的關(guān)鍵步驟，因膨脹管是一種有接縫的管道，因此選擇膨脹壓力非常重要，過(guò)度膨脹易引起焊接裂紋。在確定膨脹數(shù)據(jù)前，使用模擬樣 品 在80、100 和1200MPa 的 不 同壓力下對(duì)膨脹節(jié)進(jìn)行試驗(yàn)(所有膨脹壓力拔出試驗(yàn)均合格)，然后將管子從中間分開(kāi)，如圖2 所示。從圖2 可知，當(dāng)膨脹壓力為120MPa 時(shí)，管子（頂管）與基體緊密相連。其余兩管分別膨脹到80MPa 和100MPa的壓力，管與管板和顯示空間不對(duì)齊。120MPa 是一種理想的膨脹壓力，壓力低，不易損壞管道。

圖2 管子管板脹接連接接頭試樣

（4）壓力試驗(yàn)。每管的設(shè)計(jì)壓力應(yīng)在纏繞前后測(cè)試兩次,管束制造完成后，應(yīng)對(duì)整個(gè)芯進(jìn)行再次試驗(yàn)。芯壓試驗(yàn)前進(jìn)行水壓試驗(yàn)，用氨泄漏檢查焊縫強(qiáng)度和密封性。

（5）穿芯。由于換熱器的重量是纏繞的，管子的高壓和外殼的低壓，在芯體通過(guò)時(shí)必須采取措施。首先，有必要防止外殼變形，其次，在芯體穿孔時(shí)，在芯體前端增加一個(gè)小裝置支架，以減少阻力，因?yàn)樗粫?huì)在熱交換器中滑動(dòng)，對(duì)鉆芯的阻力為減少。注意生產(chǎn)設(shè)備：①不銹鋼是非常撤回，必須考慮到的總長(zhǎng)度。②管的兩端有4 塊板，它們的位置更為嚴(yán)格，需要通過(guò)防止變形來(lái)焊接。

6 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，煤化工等項(xiàng)目中的大型纏繞管換熱器屬于核心型設(shè)備，可實(shí)現(xiàn)傳熱過(guò)程中的能量轉(zhuǎn)換，滿足運(yùn)行過(guò)程中變負(fù)荷的要求，實(shí)現(xiàn)設(shè)備的安全運(yùn)行。因此，大型纏繞管換熱器在煉油、天然氣等加工領(lǐng)域逐漸受到青睞，并將有更大的發(fā)展前景。