繞管式換熱器的結構形式分析及應用前景

馬鳳艷

摘要：當前繞管式換熱器在化工生產中得到了廣泛的應用，并在其中發揮了不可或缺的重要作用，其不僅能夠快速的適應惡劣的生產條件，還能自動消解運行中產生的熱應力，且不存在流動死區。本文主要對繞管式換熱器的結構形式進行了詳細的介紹，對其工作效率的強化措施進行了深入的分析，并對繞管式換熱器的未來發展趨勢進行了探究，旨在為相關領域的應用提供更有價值的參考建議。

關鍵詞：繞管式換熱器；結構形式分析；應用前景

1.繞管式換熱器的結構形式分析

1.1 結構構成原理

繞管式換熱器（SWHE）與常規的列管式換熱器比較具有較高的應用優勢，其特殊的纏繞盤管結構不僅能夠適應較廣的溫度條件，能夠有效的抵抗熱應力，而且具備較高的緊湊度可促使其流場充分發展，不存在任何的流動死角。在繞管式換熱器結構中最為重要的是可利用多股管程的設置，實現在同一臺設備內多股流體同時換熱的功能。繞管式換熱器主要在芯筒與外筒之間的空腔內將傳熱管以螺旋線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的，并在其中設置了定距件，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成，也可由兩根或多根管材組合起來焊接后纏繞而成。管內只能流通一種介質的稱之為單通道型繞管式換熱器；管內可通過多種不同介質，且每種介質流經傳熱管后最終匯聚于管板上各自的區域，這種換熱器被稱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，可確保物料有充足的空間進行流通和熱交換，同時還要確保殼程內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特色分析

繞管式換熱器具備的技術特色或者說技術的精妙之處主要有三點：精準的換熱管間距、合理的管層數量及層間距、全自動化的機器人焊接流程。

（1）精準的換熱管間距

繞管通常采用的材料為不銹鋼管材，不銹鋼材料容易產生冷作硬化，彎曲時具有各向異性，所以在進行彎曲或纏繞時是非常有難度的，同時還要確保所有換熱管的間距保持一致，這無疑是難上加難，為此不僅需要在繞管加工過程中有先進的技術提供支持，還要有豐富的實踐經驗提供指導。而當前采用國外引進的高精度設備及纏繞工藝為繞管的生產奠定了基礎。

（2）合理的管層數量及層間距

在換熱管的纏繞過程中，每層對應管材的纏繞內徑都在不斷地變化，而且還要時刻保證纏繞角度的統一性，但是要保證所有換熱管長度一致是極其困難的。而只要將每層設置不同數量的換熱管，并確保層間距的合理性就能夠有效的解決這一問題，同時還能完美化解復雜換熱條件下的流道設置問題。

（3）全自動化的機器人焊接流程

在繞管式換熱器生產過程中，基本上都是自動化控制操作，而且制備時均由全自動化機器人進行焊接操作，不僅保證了管板焊接的標準化、統一化，還為生產操作的安全性奠定了基礎。

1.3 繞管式換熱器應用優勢分析

①繞管式換熱器結構緊湊，其單位容積內的傳熱面積相對較大。如傳熱管的內徑在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同時進行熱量的交換與傳遞。③繞管式換熱器管內可允許的操作壓力較高，現行的最高操作壓力在20MPa以上。④繞管式換熱器管內的熱膨脹可自行補償；繞管式換熱器可進行大規模、大體積的優化應用。

2.繞管式換熱器類型及特性分析

（1）光管繞管

光管繞管是繞管式換熱器的主要結構形式，因此相關領域對于光管繞管的研究較多。通過ANSYS針對繞管換熱器構建了管板結構模型，對管板的應力場進行了科學的分析，對于管板的應力分布清晰的呈現出來。其中在光管繞管的過渡圓角處存在最大應力；管板與筒體的焊接處較為薄弱。由于焊接處出現應力疊加的現象，所以必須要針對應力分布結果對管板結構參數進行調整，從而對管板厚度進行優化，不僅節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，不僅內外傳熱面積有所增加，還可緩解管內流體影響傳熱性能，同時在管內過渡區的層流形成縱向漩渦，使得管內流體的湍動不斷增強，繼而提升換熱系數。而且繞管的螺紋結構可提升換熱強度，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到了25倍，但與此同時摩擦系數會增加了2.5倍。

（3）套管式繞管

將兩個同心管纏繞起來構成套管式繞管，將一種流體輸入管內，再將另一種流體輸入管間，通過湍流模型對管內的湍流動態、換熱性能進行模擬，將高壓氣體輸入到管內，壓力范圍設置為10-30bar，雷諾數范圍為20000-70000，管間流通的是與環境溫度相同的冷水，流量設置為200-600kg/h。將環形擋板設置于內外管之間，不僅可以提高管內的支撐力，還能增強管內流體的湍動性。

（4）并管繞管

并管繞管主要由兩根換熱管焊接構成的，并管結構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用于三種以上流體同時換熱的工藝中，且管間釬焊能夠促使各流體間的導熱效率得到提升。然而采用殼側傳熱計算較為復雜、繁瑣，所以最好采用比擬法對殼側傳熱進行計算，將虛擬圓管的面積與并管面積設置一致，根據環管間的傳熱公式對殼側傳熱進行計算，并將空氣作為介質證實模型的有效，可靠性。

（5）翅片繞管

翅片繞管在管殼式換熱器、鍋爐等設備中得到了有效的應用，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程度。其與光滑直管相比，在粘性流體繞管中發揮的優勢更加顯著，而且粘性流體會形成與流動方向垂直的應力，從而產生二次流增強換熱。

3.繞管式換熱器的應用前景分析

（1）繞管式換熱器的大型化趨勢

由于繞管式換熱器結構有其獨特的屬性，雖然換熱管的封頭體積較小，但是管子長度多則百米以上，而現階段一些大型的繞管式換熱器在市場上不斷地涌現。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度受限，其相應的換熱器難以進行大型化發展。

（2）繞管式換熱器的新型化趨勢

雖然繞管式換熱器在化工領域已得到了有效的應用，但是依然存在諸多的不足需要不斷地改善。當前繞管式換熱器種類繁多、形式各異，按照具體的工況設置相應類型的換熱器繼而獲得更好的效果。對于新型換熱器的優化設計，可通過測試或數值模擬的方法驗證。尤其是在測試難以進行的時候，便可通過CFD方法構建理論模型，利用數值方法將繞管式換熱器的流體狀態、傳熱過程、傳質過程、受力情況進行仿真模擬分析，從而為繞管式換熱器的優化設計提供參考依據。此外，不僅要對繞管式換熱器的結構進行優化，也可將其與強化傳熱技術進行有效的融合，例如：可對換熱管的粗糙表面、擴展表面加以利用，包括螺紋管、翅片管、波紋管等；在換熱管內增設擾流裝置，促使流體的湍動力不斷提升，繼而對管壁附近的流體流層進行破壞，提高換熱系數。

（3）繞管換熱器的高溫化趨勢

繞管式換熱器最為關鍵的功能就是具備高效的換熱性能，但是其主要設置于深冷裝置中，直至21世紀初有部分企業開始將注意力投入到可在高溫條件下應用的繞管式換熱器的研究中，并且在次年就進行了相關化工生產的應用，這種換熱器材質主要為CrMo鋼耐高溫材料。通過了很長一段時間的應用證實，此換熱器的性能符合相關規定的使用要求，并且具備較高的耐久性和實用性。這種產品應用的效果進一步推動了繞管式換熱器的不斷發展，使其可以跨越多檔溫度范圍進行有效的應用。若在介質允許的條件下，也可將繞管式換熱器應用于煉油行業。

（4）繞管式換熱器的高壓化趨勢

當前繞管式換熱器在應用過程中，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、兩端封頭小等結構特點，為此采用這樣的結構能夠彌補普通高壓換熱器存在的不足。普通高壓換熱器通常應用的結構形式有兩種：浮頭式、U形管式，當壓力不斷上升時，不僅需要加大殼體的厚度，還要不斷地提升法蘭的強度等級，導致法蘭厚重，成本嚴重增加。而繞管式換熱器可對加長的管長進行充分的利用而不斷拓展其面積，而且兩端小管板也會促使連接的法蘭減小，使得工藝制作更加的簡捷，節約成本。當前國內煉油行業開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。

結束語：

綜合以上研究可以發現，繞管式換熱器具備較高的優勢，雖然當前主要應用于化肥合成氨裝置中甲醇洗工藝流程中，但是通過結構形式的不斷優化，在不久的將來其應用的領域將會更加的廣泛，只要對繞管式換熱器的結構形式、技術特點、應用優勢，及工作效率的提升對策進行有效的掌握，就能夠對繞管式換熱器進行合理、有效的應用，并確保其發揮更高的效用。

參考文獻：

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