螺旋缠绕管换热器设计开题报告

1．结合毕业设计（论文）课题情况，根据所查阅的文献资料，每人撰写

2000字左右的文献综述：

文 献 综 述

1.概述

随着现在工业的迅速发展，能源问题日益加剧，世界各国在寻找新能源的同时，也更加注重了能源的高效利用^[1]。换热器是化工、石油、制药及能源等行业中应用相当广泛的单元设备之一。据统计，在现代化学工业中所用换热器的投资大约占设备总投资的30% ,在炼油厂中换热器占全部工艺设备的40%左右，海水淡化工艺装置则几乎全部是由换热器组成的。上个世纪70年代初发生的世界性能源危机，有力地促进了传热强化技术的发展，为了节能降耗，提高工业生产的经济效益，要求开发适用不同工业过程要求的高效能换热设备。因此，几十年来，高效换热器的开发与研究始终是人们关注的课题，国内外先后推出了一系列新型高效换热器，如螺旋缠绕管式换热器，螺旋折流板换热器^[2]，折流杆式换热器等。

2.螺旋缠绕管式换热器结构及其特点

2.1螺旋缠绕管式换热器结构

螺旋缠绕管式换热器主要由缠绕管芯体、壳体以及中心管组成，详细结构组成见图1。螺旋缠绕管式换热器的结构尺寸主要由缠绕管束所决定，而缠绕管束是由多层螺旋缠绕换热管组

成，在设计螺旋缠绕管时控制螺旋升角的大小以确保每一根螺旋缠绕管具有相同的长度，并且相邻两层的螺旋缠绕管的缠绕方向相反，在同一层上螺旋缠绕管的布置均匀。壳体的直径和高度取决于缠绕管束的外径和高度以及工艺计算所需的流通面积。中心管的外径由最内一层螺旋缠绕管的弯曲半径以及工艺计算所需的流体通道所决定^[3～5]。

图1　螺旋缠绕管式换热器结构图

2.2特点

与传统管壳式换热器相比，螺旋缠绕管换热器在加工成本、传热性能、抗结垢能力等方面有明显优势，体现在以下方面：

（1）螺旋缠绕，结构紧凑^[6] 缠绕管换热器是一种高效换热器，主要体现在单位容积具有较大传热面积。例如，缠绕管的传热面积可达100～170㎡/m³,而普通管壳式换热器的传热面积只有54～77㎡/m³。

（2）不易结垢 换热管内流体呈螺旋流动，流道截面形成二次流。同时，壳程流体在各管层之间形成湍流，降低了流体对壁面的附着，不易结垢^[7]。

（3）补偿性好 换热管端存在一定长度的自由弯曲段^[8]，具有很好的挠性，传热管的热膨胀可部分自行补偿，减轻了对管板焊接的应力影响，减少了管头与管板焊缝泄漏的可能性，且具有抗振动、耐温差大的特点。

（4）管内操作压力高 由于管束补偿性好，盘管调节可满足高速高压流体流通。目前已知达到的最高操作压力可达22MPa。

（5）换热系数高 缠绕管换热器管层之间的换热管反向缠绕，这种特殊结构极大的改变了流体流动状态，使壳程流体形成强烈的湍流^[9]；由于管内螺旋流动的强化作用，使得管程的传热膜系数也得到提高；另外还有隔条等部位对壳程的流动不断扰动，这三个方面的共同作用，使得缠绕管换热器的传热性能得以显著提升。

（6）经济节能，成本低廉 缠绕管换热器可同时进行多种介质的充分传热，不仅可以节约能源而且可以优化生产系统；再者，相比于管壳式换热器。缠绕管换热器的制造，避免了管箱等大部件的加工，减少了钢材用量，节省了生产成本，特别适用于低温气体分离装置，如空气分离装置、氢液化装置、稀有气体分离装置、低温甲醇洗装置等^[10～11]。

（7）设备占地面积小，整体重量轻^[12]。

除了上述优点以外，螺旋缠绕管式换热器同时也具有诸多缺点，如制造工艺复杂、清理困难等^[13]。

2.3意义

常规的管壳式换热器的换热管设计都是采用直管或者是U型管，所以困扰着设计工程师的一个问题是：采用什么样的方法可以让换热管变长？单位体积的换热面积加大?因为逆流换热而导致热传导由于结构的原因从根本上维持在一个理想的状态，同时换热设备本身体积要缩小，安全性能要更强，螺旋式换热管束缠绕技术的研发成功并日趋完善从根本上解决了这个问题。区别于常规直管式换热管，螺旋式换热管束的排列，按照每层管束数量不同，同一角度反向进行缠绕，在换热管壳体内均匀布管并保持合理的管间距和层间距。这样带来的结果是，不仅仅换热管加长了,有足够的流程使物料在其中流通和热交换，同时保持流体在壳程内的压力平衡，平均了热能分布,这样在实际的使用中,大大地提高了换热效率与传热能力^[14]。

3国内外发展及研究现状

3.1国外发展及研究现状

螺旋缠绕管式换热器最早是由德国的林德公司于1895年制造，有林德型和汉普森型两种^[15]，发展至今为止，螺旋缠绕管式换热器已经成为诸多工业领域中最重要的基础设备之一。

在国外，缠绕管式换热器广泛应用于大型空气分离装置的过冷器及液化器（液体氧、液化氨装置），林德公司在合成氨甲醇洗系统中推出的缠绕管换热器系列正式充分发挥了该种换热器的作用。低温甲醇洗工艺是德国林德公司开发的采用物理吸收法的一种酸性气体净化工艺，该工艺利用甲醇在低温、高压下具有良好的物理吸收特性来选择性地吸收酸性气体中的H₂S和CO₂，在以渣油和煤为原料的大型合成氨装置上，大多采用低温甲醇洗净化工艺^[16]。缠绕管式换热器是林德低温甲醇洗工艺技术的专利设备。

缠绕管式换热器由于其自身特点被用作大型陆上天然气液化工厂以及大型LNG-FPSO的首选主低温换热器，在大型天然气液化工厂中具有广阔的应用与前景。在国际上，美国空气产品化学工程公司和林德公司是LNG领域绕管式换热器的两家主要供货商。其中，美国空气产品化学工程公司（APCI）占绝大部分市场份额，其作为LNG领域绕管式换热器最大的供货商，在1977～2008的30多年间，为79条LNG装置（其液化能力累计达到230万吨）提供了配套缠绕管式换热器，主要用户分布在亚洲、欧洲、澳大利亚和南美等地区。APCI具有全面的设计制造大型LNG装置主低温换热器的能力，其制造厂内可以制造直径5米、长度55米、450吨重以下的缠绕管式换热器。目前，APCI对于大型LNG-FPSO工艺进行研究，主低温换热器仍然采用绕管式换热器，并对绕管式换热器的结构进行改进，以满足海上生产的特殊要求。林德公司（LINDE）在1993年开始为市场提供大型LNG绕管式换热器，生产数量逐年增加，近五年内一共生产了累计金属重量达到3120吨的多股流绕管式换热器应用于LNG工厂。LINDE已经成功为挪威Hammerfest、澳大利亚Kwinana和中国的新疆广汇等液化工厂提供主低温换热器。该公司在其制造厂内能够完成直径7.5米、260吨重缠绕管式换热器的制造，对于更大尺寸和重量的绕管式换热器可以在靠近水路的厂房内组装^[17～20]。

当然，螺旋缠绕管换热器作为一种新型高效换热器，除了在上面的LNG领域和天然气液化工厂的应用外，世界范围内越来越多的工业生产过程正在加大其的装备数量，以满足自身的生产实际需要。

3.2国内发展及研究现状

我国在20世纪70年代末在大化肥合成氨装置的低温甲醇洗工艺单元中引进使用，在大型空气分离装置的过冷器及液化器（液体氧、液体氨）中也得到广泛应用^[21]。

缠绕管式换热器在我国目前主要应用于大化肥合成氨装置（美国德士古工艺）中甲醇洗工段^[22]，在全国共有近20套此类装置，每套装置中有6台缠绕管式换热器，这些换热器的具体情况见表1。

表1 大化肥装置中缠绕管式换热器的概况

在我国最早十多套装置中的缠绕管换热器大都已更换，其中大都是已到使用寿命限期，但也有不少为管理不善而造成的损坏。表2是一些用户的设备主要损坏原因^[23]。

表2 管理不善造成换热器质量问题

缠绕管式换热器在中国的应用源于进口的空分装置和化肥成套装置的低温甲醇洗系统，直到上个世纪末，缠绕管式换热器的应用和更换仍依赖于进口。

主要的技术难点有：

1)缠绕管式换热器尤其是多股流缠绕管式换热器的传热与流动的工艺计算方法；目前国际上通用的HTRI和HTFS软件都没有相应的计算模块。

2)各种复杂的管板结构，包括单股流管板、多股流管板和小管板结构，其中大部分管板的布管区域不同于GB151，而且管板两端的管箱结构形式和GB151也都不同。

3)超长奥氏体不锈钢焊接钢管的制造质量，影响到缠绕管式换热器的可靠性。

4)大型缠绕管式换热器的组装技术。

5)缠绕质量和管束的检测技术。

现如今我国对于缠绕管式换热器的研究成果

（1）壳式换热器在材料研究、结构设计、管板制造、管束支撑、组装检测等技术都取得了突破，能够实现长度30m以内的高精度奥氏体不锈钢无缝换热管的国产化，完成具备了制造10000㎡以上大型管壳式换热器的技术和能力。

(2)我国在煤化工领域缠绕管式换热器的成套技术已经达到国际先进水平，具备造7000㎡以上大型缠绕管式换热器的技术和能力，并创新了大流量下低温甲醇洗系统原料气冷却的工艺

流程。在世界上首先推出新型加氢裂化工艺流程，并研制成功了高压加氢裂化缠绕管式换热器。

(3)在大型板壳式换热器的整体结构设计、板片研究、成型设备、板束焊接、热膨胀吸收等关键技术上都有了新的进展，具备了10000㎡以上大型板壳式换热器的技术和能力^[24]。

由于缠绕管式换热器的特殊结构，它特别适用于高温、高压、宽温度范围、低换热温差的气体换热场合，比如在天然气处理装置中的应用-1998年新疆石油管理局西北缘地区天然气输配工程中使用了4台，单台最大换热面积达1500 m，1999年冬季实测换热冷端温差达到1.7℃；2000年在塔里木轮南4010⁴m³气体处理装置采用l台，换热冷端温差小于2.O℃；2000年塔西南勘探开发公司的天然气处理装置用绕管式换热器更换高压进口板翅式换热器；2004年西气东输、吉拉克、桑南天然气处理工程用5台多股绕管式换热器作为装置中的主换热冷箱，运行稳定可靠，使用效果良好。由现场应用情况可知，绕管式换热器特别适用于高温、高压、宽温度范围、低换热温差的气体换热场合，是实现高效与高压、低温差介质换热的最佳选择^[25]。

目前国内企业对螺旋缠绕管式换热器进行了研究开发，并结合国内压力容器标准以及制药、食品、石油、化工、冶金、电力和纺织等行业的实际应用状况，推出了适合国内企业需求的螺旋缠绕管式换热器，并在市场应用中获得成功。

4总结

螺旋缠绕管式换热器作为一种新型高效换热器，随着设计制造技术的发展，生产工艺的成熟，其应用领域日趋广泛，在化学、石油化学、发电、冶金、食品、制药等连续处理物料的过程工业以及传统设备工艺的改造中发挥着越来越大的作用，我国正逐步进入产业化发展阶段。本课题将对螺旋缠绕管式换热器内流体流动特性、传热特性和流体流动阻力等问题进行分析，建立螺旋缠绕管式换热器的设计计算方法和步骤。通过本课题的设计任务，积累一定的螺旋缠绕管式换热器设计经验。

参考文献

[1] 张平亮.新型换热器及其技术进展[J].炼油技术与工程，2007，37（1）:25-29.

[2] Kral D ,Stelik P ,van der Ploeg H J.Helical baffles in shell-and-tube heat exchangers ,part one:experimental verification[J].Heat Transfer Engineering,1996,17(1):93-101.

[3] 胡效东，张勇，等.缠绕管式换热器管板T形和对接连接结构对比分析[J]，石油和化工设备，2013，16（6）:9-12.

[4] 徐学才.螺旋缠绕管式换热器的设计、制造及工程应用[J]，医药工程设计，2012，33（6）:1-3.

[5] 孔 戴，彭晓峰，杨 震.螺旋管紧凑式换热器传热性能分析[J]，热科学与技术，2008，7（2）:115-118.

[6] 韩强.用于制药干燥的螺旋螺纹管换热器解析[J]，国制药装备，2011，（3）:47-48.

[7] 张贤安，王健良.缠绕管式换热器的设计与制造[J]，大氮肥，2001，（6）:139-153.

[8] 李振勇，任世君，刘永强.缠绕管换热器泄漏的原因及处理措施[J]，化肥工业，2012，39，（5）:49-51.

[9] Mukherjee Rajiv. Broaden Your Heat Exchanger DesignSkills[J] Chemical Engineering Progress ,1998 ,40(3): 35-47.

[10] 刘可安.缠绕式换热器节能特点分析[J]，石油化工建设，2011，（6）:94-96.

[11] 张贤安.高效缠绕管式换热器的节能分析与工业应用[J]，压力容器，2008，25（5）:54-58.

[12] 马小明.液化天然气技术与设备[J].化工装备技术，2007,28（3）：57-61.

[13] 刘倍倍.缠绕管式换热器的修复[J],石油和化工设备，2009，11（1）:56-57.

[14] 刘峰.型低温换热器的设计[J],石油和化工设备，2014，17（4）:13-16.

[15] 陈永东.我国换热器的技术发展[C].第二届全国换热器学术会议论文集，2002，90-94.

[16] 余建良.低温甲醇洗缠绕管式换热器的优化设计及应用[J].化肥设计，2011，49（2）:23-26.

[17] 浦晖，陈杰.绕管式换热器在大型天然气液化装置中的应用及国产化技术分析[J].制冷技术，2011，03(5)：26-29.

[18] A baclizic E.E, Scholz H.W. Advances in Cryogenic Engineering.vol[J]. 18, New York: Plengum Press, 1973，24（1）:13-15.

[19] Axisa F, Antunes J and Villard B. Overview of numerical methods for predicting of cylinder arrays in crossflow. ASME Journal ofPressure Vessel Technlogy[J], 1988, 100:6-10.

[20] Zeus Development Corporation. Vendors analysis of regasification vaporizers [R].[S l.] :LNG Express ,2004(9) :25-26.

[21] 李亚飞，毛文睿，等.绕管换热器的发展与应用[J]，广东化工，2014，41（1）:131-132.

[22] 张贤安，陈永东.缠绕管式换热器的工程应用[J]，大氮肥，2OO4，27(1)：911．

[23] 都跃良，张贤安.缠绕管式换热器的管理及其应用前景分析[J],化工机械，2005，32（3）:181-185.

[24] 陈永东，陈学冬.我国大型换热器的技术进展[J].机械工程学报，2003，39(2):66-75.

[25] 王家荣.绕管式换热器在天然气处理装置中的应用[J]，油气田地面工程，2011，30，（10）:54-55.