螺旋缠绕管式换热器设计方法研究开题报告

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、选题的背景及意义

热交换器是各个行业生产及运行过程中不可或缺的重要装置，它可将通过自身的热流体的热量传递给冷流体，从而使流体温度达到工艺流程规定的指标，是对流传热及热传导的一种工业应用^[1]。

二十一世纪, 环境和能源成为人类面临的重要问题，为保护环境和有效利用现有资源,节能使用资源显得尤其重要。对于用户来说，节约能源，采用节能换热器意味着减少支出、增加经济效益、增强企业的竞争力。换热器是暖通空调、热能动力、化工、炼油、核能、冶金、食品及制药等广泛应用的设备，从混合式换热器, 蓄热式换热器到间壁式换热器，都有着各式各样的结构型式。随着强化传热理论的发展和机械加工技术的不断进步，出现了许多结构形状特殊、具有高强化传热表面结构大传热面积和结构体积比的新式紧凑型换热器。SECESPOL系列螺旋螺纹管换热器与常规的管壳式换热器相比，换热系数大，传热效率高，具有相当的灵活性适用性和可靠性它独特的螺旋结构先进的传热机理以及经济实用性，决定了其节能、高效的优越性^[2]。

绕管式换热器主要应用在大型空气分离、煤气化、化肥装置、天然气液化、乙烯工程及核工业等领域，由于其结构紧凑、单位体积换热面积大、能承受高压、传热效率高、可以实现多股流换热、具有良好的热补偿能力等优点，迄今还无法用其它任何一种换热器所替代^[3]。

当前,核能的利用越来越广泛,如何使核能装置更加紧凑精巧以适应更广泛的需求已成为一种新的研究方向。而核能装置的紧凑化必然离不开蒸汽发生器的紧凑化。因此，在同样满足一、二次侧换热需求的前提下，研制出换热效果更好而体积更小的蒸汽发生器便成了一个新的设计趋势。在广泛调研的基础上本文介绍了一种新型的带螺旋缠绕管的双面加热直流蒸汽发生器。与普通直流蒸汽发生器不同的是，它具有两个一次侧，且其中的一个一次侧和二次侧所作的都是螺旋流动，对二次侧起到了加强的双面加热效果^[4]。

缠绕管换热器具有特殊的几何形状以及由于采用的材料基本无限制提供的可能性，所以为缠绕管换热器的应用开辟了广阔的领域。因此为了优先选择，绕管换热器用途如

(1)要求多种流体操作的场合。(2)在小温差情况下必须传递大的热负荷。(3)高压操作场合。另外，如果在腐蚀介质中要求采用特殊材料，或者在大型工业装置中操作条件苛刻要求对通道堵塞相对不敏感时，则缠绕管换热器当然是一种选择方案^[5]。

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。我国是世界最重要换热、散热、冷却设备市场，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％，在炼油厂中换热器约占全部工艺设备的40％，海水淡化工艺装置则几乎全部是由换热器组成的。目前世界各国在换热器理论研究、新技术和新产品开发方面已经进入高层次的探索阶段，涉及领域很广，虽然近年来我国加大了对各种换热器的研发，但在一些高效换热器领域方面与发达国家还存在一定差距。因此，我国应借鉴国外先进换热器技术，努力赶超国际先进水平^[6]。

2、螺旋缠绕管式换热器简介

缠绕式换热器是在芯筒与外筒之间的空间内将换热管按螺旋线形状交替缠绕而成，相邻两层螺旋状换热管的螺旋方向相反，并采用一定形状的定距件使之保持一定的间距。缠绕式换热器从传热原理上属于间壁式换热器，因此它具有管式换热器的耐高压性

能，同时又具有结构紧凑、传热效率高的优点，特别适用于高压高效气体换热场合。

图1 螺旋缠绕管式换热器结构简图

2.1早期缠绕管换热器的结构

缠绕管换热器最早是由德国的林德公司于1895 年制造成功的。林德型换热器如图1(a)所示，它是由两个同心管缠绕成的蛇形管，内管通入高压空气，管间流通的是冷的低压空气。这种结构虽然实现了逆流流动，但因为在两通道中气流死区占优势，以至于总的传热效率比较低。图1(b)所示是由英国汉浦森公司制成的蛇管型式的缠绕管换热器。汉普森采用的换热管从内向外来回缠绕，形成盘管叠摞在中心圆筒上。这种结构使壳程有较高的横流传热系数及总的逆流效率，因此称之为横向逆流换热器。我国是在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了这种换热器，随后该换热器又在大型空气分离装置的过冷器及液化器中得到广泛应用。

图1 早期缠绕管换热器

2.2 现代缠绕管换热器的几何形状

随着对换热器性能的要求以及加工技术的进步，缠绕管换热器的几何形状有了新的特点。

图2 缠绕管换热器剖视图

如图2 所示，缠绕管换热器主要由芯体、壳体以及中心管组。为了使管侧流体均匀分布，每个单管程通道采用等长管子制造，管内可以通过一种介质，称单通道型缠绕管换热器；分别通过几种不同的流体则构成多通道型缠绕管换热器。再者，随着缠绕管缠绕直径的增加，各层缠绕管的数量也相应地增加。逐层换热管并不绝对平行，而是有一定的相对位置，管层之间的距离最小值从a 变化到最大值Smax，如图3 所示。其中，传热管外径为d，传热管轴向管间距为n，邻层相邻传热管间的切向距离为a，邻层相邻传热管轴向相对距离为x，邻层相邻传热管之间的距离为S，称为流动间隙，结构参数如图4 所示。要使得内侧盘管和外侧盘管缠绕角、传热管长度、轴向管间距不变,就应当使每层传热管数目应当与该层的缠绕直径成一定比例,越靠近内层的换热管缠绕圈数也就应当越多^[7]。

图3 缠绕管相对位置示意图

图4 缠绕管换热器的结构参数

影响绕管换热器壳侧流动传热的结构参数有如下5个方面^［8-9］:(1)管径D₀的大小;(2) 径向管间比S_T/D₀;(3)轴向管间比S_L/(D₀/cosε);(4)缠绕角度ε;(5)缠绕不同圈数。图5 示出的绕管换热器剖面以及图6 示出的单管示意可以较好地反映影响绕管式换热器壳侧流道的各主要因素。

图5绕管换热器剖面示意 图6 单管示意

2.3缠绕管换热器的优点

传统的管壳式换热器由于设置了折流板，流体流动呈Z字形，其存在的缺陷主要表现在：

(1)沿程压力降大，易产生流动滞止死区；

(2)旁流和漏流降低了有效横掠管束的质量流速；

(3)流体流速过高时，会诱导换热管的振动，缩短换热器的寿命。据调查，90%以上的普通管壳式换热器都存在不同程度的结垢问题，致使传热性能变差，传热效率下降，其平均下降幅度可达30%以上。其后果除直接造成能量损失外，还会影响成套装置的生产能力。另外，设备结垢还会引起流体流动阻力增加，从而带来装置动力消耗的增加。再者，其壳程无法进行机械清洗，周期性的停车清洗也增加了装置的运行维护成本。另外，壳体与管子之间无温差补偿元件时也会产生较大的温差应力。相比之下，缠绕管换热器在加工成本、传热性能、抗结垢能力等方面具有明显的优势，体现在以下方面：

(1)结构紧凑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的传热面积。例如，单位容积传热面积是普通管壳式换热器2 倍以上。对管径为8～21mm 的传热管,缠绕管的传热面积可达100～170m²/m³，而普通管壳式换热器的传热面积只有54～77m²/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。SRBISLAV B.GENIC'等^[10]研究表明，螺旋管管壳式换热器的污垢系数低于同工况下的直管管壳式换热器。

(3)补偿性好换热管端存在一定长度的自由弯曲段，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)管内的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22 MPa。

(5)可同时进行多种介质的传热^[11]。

(6)换热系数高缠绕管换热器管层之间的换热管反向缠绕，这种特殊结构极大地改变了流体流动状态，使壳程流体形成强烈的湍流；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；另外还有隔条等部件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。对于一般结构的气气换热设备，普通管壳式换热器的传热系数值约75～365W/(m²﹒K)，但对于缠绕管换热器，在某些特定条件下，总传热系数可以达到500W/(m²﹒K)以上。

(7)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、液氮洗装置等^[7]。

2.4缠绕管换热器的不足

(1)结构复杂, 制造工艺难度大。换热管较小且薄, 在制造绕管过程中, 绕管层的层间距难以保证,会出现管的损伤。

(2）价格昂贵、投资较高。

(3）对操作的稳定性和介质的洁净度要求高。

(4）压力高、温度低, 严密性高( 所有连接件均为焊接连接) , 空间狭小, 查漏、检修的难度和工作量大、要求高。( 危险性强。目前这种换热器主要用于气体的深冷分离低温过程中, 而工作介质多为易燃、易爆的气体^[12]。

2.5大型缠绕管式换热器的技术难点分析

第一，缠绕管式换热器的传热与流动依靠的是传统的工艺计算方法，并且国际上使用的HTFS以及HTRI等软件均没有其相关的计算模块；第二，该换热器的管板结构较复杂，且管板的布管区域与GB151有着极大的区别；第三，缠绕管式换热器的组成部分主要由奥氏体不锈钢材料而构成的，其质量决定着换热器的可靠性；第四，由于缠绕管式换热器的体型较大，因此，对其组装技术以及检测技术而提出了更高的要求^[14]。

2.6缠绕管换热器的应用前景分析

缠绕管换热器有着很广阔的应用空间，可满足不同工艺场合的需要，随着换热器新理论的出现以及加工技术的创新，缠绕管换热器将会朝着许多个方向发展。

(1)多股化

缠绕管换热器可以实现多股流体之间的换热，与其他类型换热器相比缠绕管换热器可以充分利用利用有效的空间进行不同介质之间的换热。目前，缠绕管换热器壳程流体可以跟两三种管程流体进行换热，更多管程的换热器将会随着加工技术的改进出现，以满足生产的需要。

(2)高压化

普通高压换热器均采用浮头式或U 形管，当压力提高，不仅壳体厚度加大，而且法兰的强度等级要大幅提高。目前缠绕管换热器已知的最高操作压力可达22 MPa，国内一些单位正在进行研究，以缠绕管换热器逐步替代炼油行业一些高压换热器，如加氢裂化和重整等装置，可适应更高压力的缠绕管换热器将会逐渐在以后出现。

(3)高温化

缠绕管换热器原来多数情况下被用作深冷装置，如用于天然气的液化。从2001 年开始合肥通用所等企业开始研究应用于高温场合的缠绕管换热器，并于2002 年在镇海炼化投入使用，这种换热器采用CrMo 钢作为耐高温材料，质量也较可靠且运行平稳。这种产品的成功应用，将缠绕管换热器转向高温应用，拓宽了缠绕管换热器的应用领域，只要介质允许，在炼油行业也可以充分发挥绕管换热器的优点^[7]。

绕管式换热器的结构发展主要体现在两个方面。一是换热管的表面形态的改变，如螺纹管、翅片管等; 二是换热管缠绕方式的改变，如套管式绕管、并管式绕管等^{[14]吴金星}。

3、国内外发展及研究现状

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、液体氨装置), 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是充分发挥了该种换热器的作用^[11]。 近20年来，国外主要有德国Linde 公司等开发，主要应用于低温甲醇洗等工艺中，可进行低温工况下的多股流低温高压多股流回热换热，具有换热效率高、集约化程度高及需要换热设备数量少等特点^[16]。挪威的NEERAAS等^[17]用不同工质针对不同相态( 气态和气液两相) 对绕管式换热器的壳程传热和压降进行试验研究，结果与经验公式相比，误差在10% 以内。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占绝大部分市场份额。美国空气产品化学工程公司（APCI）是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，目前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，但其设计制造能力可以扩展以满足更大规模LNG 工厂的需求，所需考虑的仅仅是LNG领域可靠的压缩机和驱动机的规模限制。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在大型LNG 装置中选择铝制钎焊板翅式换热器作为预冷段换热器，选择多股流缠绕管式换热器作为液化段和过冷段的主低温换热器。LINDE已经成功为挪威Hammerfest 与澳大利亚的Kwinana 和中国的新疆广汇等液化工厂提供主低温换热器。目前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。目前，林德公司与挪威石油公STATOIL对绕管式换热器在晃动时壳侧内流体均布技术进行研究，以便绕管式换热器能够更好的应用于LNG-FPSO^[18]。国外学者也在传热实验数据和模型, 在壳程中液体的降膜流动,螺旋缠绕液化天然气热交换器^[19]进行了研究。

在国内，目前，国内具有绕管式换热器设计能力的厂家主要是合肥通用机械研究院和开封空分集团有限公司，具有制造能力的厂家是镇海石化建安工程有限公司、开封空分集团有限公司和大连的林德工艺装置有限公司。合肥通用机械研究院与镇海石化建安工程有限公司分别负责结构设计和加工制造绕管式换热器。从上个世纪九十年代起，两家单位合作已设计制造了160多台绕管式换热器，设计制造的绕管式换热器中最高设计温度520℃，最低设计温度-196℃，最大直径3.2米，最多管程介质数为5股流，最高压力16.8兆帕，最大换热面积已逾7000平方米、热负荷为25.45 兆瓦。主要应用于空气分离、天然气汽化、军工液氧、煤基烯烃等工业。开封空分集团有限公司具有成熟的设计和制造绕管式换热器的能力。该公司从上世纪90年代末开始了绕管换热器的研制工作，并于1997年将研制成功的绕管换热器应用于宁夏化工厂，首台设备重7.77 吨。2004年，开封空分承接了安庆石化的三台大型不锈钢高压多股流体绕管式换热器研制合同，该换热器的最大直径2.4米，压力5.0兆帕，重86吨，并全部按照美国ASME标准制造。到目前为止，开封空分已成功地为化工行业提供20多台高压绕管换热器，最大设计压力达20兆帕以上，外形尺寸1.8米2.2米，重80吨。另外，位于大连的林德工艺装置有限公司也是绕管式换热器的制造企业，其工艺和结构设计主要由LINDE 完成，在我国主要立足于低温甲醇洗领域的绕管式换热器制造^[18]。我国对于缠绕管式换热器取得的发展主要有：第一，我国国内有效实现了生产多股流缠绕管式换热器的目的，并且解决了关于低温甲醇洗领域的技术问题；第二，缠绕管式换热器的传热以及流动等得到了相关计算软件的计算，并且其准确性得到了相应的验证；第三，国内石化镇海炼化分公司将加氢裂化装置高压缠绕管式换热器制造了出来，并且还得到了广泛的应用，由此可以看出，其组装技术以及检测技术水平均得到了明显提高，另外，大型换热器的出现有效减少了高压换热器与加热炉的数量，从而有效缓解了国内资源紧张的问题；第四，实现了对低温甲醇洗原料气冷却流程的创新目的，虽然可以对其原来的复杂结构进行简化，但是该设备体型加大，不利于综合经济效益的有效提高，因此，对低温甲醇洗装置进行了调整与创新，不仅有效提高了其传热性能，而且还有效满足了生产工艺的要求；第五，对大型缠绕管式换热器的原材料进行创新，并且对奥氏体焊接技术也进行了创新，从而有效提高了该器械的稳定性能^[20]。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^[21]。国内学者在缠绕管式换热器管板T形和对接连接结构对比分析^[22]、缠绕管式换热器在柴油加氢装置的应用(镇海炼化新建300万吨/年柴油加氢装置于2011年4月中交，2011 年6 月正式生产合格产品。装置的高压换热器采用了某制造单位的缠绕管式换热器，其设备位号为E6501)^[23]、缠绕管式换热器在芳烃装置上的应用^[24]、多股流缠绕管式换热器管板的有限元分析^[25]、应用遗传算法优化设计200MW多头螺旋管式换热器^[26]等方面进行了探索。在国内，缠绕管换热器的工艺及制造的研究不够深人, 国产化程度也较低，镇海炼化检修安装公司联合合肥通用所、镇海炼化化肥厂经过多年努力, 通过试验及中试, 系统地完成了单、多股流及单、双相的缠绕管式换热器从设计、制造到安装调试的一条龙技术路线, 完成了近10台次多领域缠绕管式换热器的生产与投用, 取得了良好的社会与经济效益^[27]。2009年12月10日，设备随50万吨/年连续重整装置开工投入实际工业运行。2010年7月10日，用户对整个50万吨/年连续重整装置进行了满负荷标定，所研制的缠绕管式混合进料换热器标定数据表明换热效果良好，换热负荷、热端温差以及管壳程压降均达到了预期设计要求^[28]。中石化天津分公司芳烃装置是上世纪70 年代末从日本挥发油公司引进的，采用美国UOP 分离技术生产对二甲苯（PX）。为了更好的降低装置的能耗，提高经济效益，在芳烃装置歧化反应进料用高效的缠绕管式换热器代替换热效果较差的U 型管式换热器，原来U型管式歧化反应进出料换热器热端温差为87℃，缠绕管式换热器歧化反应进出料热端温差降低为30℃，使换热效率提高了30%以上，每年实际节约燃气可达1245.6t，年创直接效益580万元以上^[29]。山东聊城某药业集团原料药工艺蒸馏甲苯工艺的应用情况：原工艺甲苯蒸汽从110 ℃冷凝冷却到45℃，采用二级冷凝，一级冷凝器换热面积42m²，二级冷却器换热面积28 m2。采用SECESPOL冷凝器后，选用一台JADX9.88，换热面积只有10.8m²，而冷凝温度比原工艺低了3℃，实际甲苯的回收率提高了2%。该换热器体积是原设备的1/20，设备投资减少50%，安装费用减少80%^[30]。

4、总结

综上分析可知，螺旋缠绕管式换热器是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，我国正逐步进入产业化发展阶段。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。

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