螺旋缠绕式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

一、选题的背景及意义

随着现代工业的迅速发展，能源问题日益加剧，节能变得非常重要，世界各国都在寻找新能源和节能新途径^[1]。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，广泛应用于冶金、化工等各个工业领域中，强化传热技术的应用不但节能环保，而且能够节约投资和运营成本^[2]。因此，我们需要不断研究和改善换热器的设计，提高其传热效率，为国民经济建设贡献力量。

随着科学和生产技术的发展，各种换热器层出不穷，难以对其进行具体、统一的划分。虽然如此，所有的换热器仍可按照它们的一些共同特征来加以区分^[3,4]。其中，螺旋缠绕管式换热器是由一组或多组缠绕成螺旋状的管子置于壳体之中制成的，属于一种新型的管壳式换热器。缠绕管换热器是螺旋一种高效换热设备，广泛应用于工业深冷^[5]。缠绕管式换热器有3种结构，第1种是单股流缠绕管式换热器，第2种和第3种都是多股流缠绕管式换热器 ^[6]。其机构主要由缠绕管芯体、壳体、换热管等组成，其结构简图如图1所示。

图1 螺旋缠绕式换热器结构简图

二、螺旋缠绕式换热器的特点

螺旋缠绕管内的流体在弯曲通道内受到离心力的作用在流道的横截面上形成二次流。螺旋管的几何形状产生的离心力在流动截面上形成一对对称的漩涡，与主流叠加流体在螺旋管内形成螺旋运动，从而大大增加了换热效果，同时，二次流的冲刷使污垢不易沉淀螺旋缠绕管式换热器的壳侧螺旋缠绕管缠绕方向逐层相反，缠绕角与纵向间距设计制造均匀，且管长相同。因此，随着螺旋缠绕管缠绕直径的增加，各层螺旋缠绕管的数量也相应增加^[7]。这些螺旋缠绕管组成管芯，在壳侧所形成的流道随圆周方向位置的不同而变化， 相邻两个盘管呈直列、 错列的变化，则流道构成变成为由螺旋缠绕管布置为直列、错列组合排列时的管外流动^[8]。

与普通的管壳式换热器相比，由于换热管采用了螺旋缠绕的方式布置，因此螺旋缠绕管式换热器拥有独特的几何结构与自身特点：

(1)结构紧凑，较大单位容积传热面积，单位容积传热面积是普通换热器的2倍以上^[9]；

(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^[10]；

(3) 温差自补偿能力, 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^[11]；

(4) 管内的操作压力高，目前国外最高操作压力可达21.56MPa^[12]；

(5) 换热效率高。绕管式换热器换热管这种特殊结构极大地改变了流体流动状态，形成强烈的湍流效果，提高了换热系数，以最少的材料达到最佳的换热效果；

(6) 介质温度端差小： 由于其独特的螺旋缠绕结构，介质在换热管束中停留更长时间， 换热更加充分，故冷热介质温度端差小，实际热端温差可达10℃左右^[9]；

(7) 介质流畅、不存在换热死区。管内介质以螺旋方式通过，壳程介质逆流横向交叉通过绕管，避免了螺纹锁紧环折流板结构换热器在折流板背面存在的换热死区和垢物积聚沉^[9]；

(8) 体积小重量轻安装方便袁是国产管壳式换热器的1/5左右，无需特制基础，只需和管道相连接节省安装及基建费用螺旋独特结构^[13]。

因为这些高效、环保、节能以及安全的技术优势，奠定过了如今螺旋缠绕管式换热器的工业地位。目前缠绕管式换热器广泛应用于型空气分离装置的冷器及液器、液体氧、液体氮装置以及大氮肥低温甲醇洗装置等的主要换热器20世纪70年代末和90年代初我国引进的多套大氮肥装置合成氨甲醇洗系统均用缠绕管式换热器^[14]。

三、国内外发展及研究现状

3.1 国外发展及研究现状

1895年西德林德(linde)公司首开发了工业规模的空气液化设备，不久由英国汉浦森(hampson)也实现了，并且已使用了如图2所示的蛇管型式的管式换热器^[15]。图 2(a)所示林德型换热器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 2(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。

图2早期缠绕管换热器

目前，西方发达国家螺旋缠绕管式换热器的设计、制造工艺整体领先于我国。国外学者对螺旋缠绕管式换热器的研究现阶段主要集中在内部传热，流体流动和换热器结构分析等方面^[15]。研究者Devanah alli G等，研究了螺旋缠绕管中的自然对流传热，并发展了一个预测模型，可根据流体的进口温度和缠绕管的几何尺寸预测流体出口温度，这项研究成果可以用于对螺旋缠绕管式换热器的定型^[16]。国外的学者通过实验和计算流体力学（CFD）预测了缠绕管式换热器的传热方式和传热特性，并提出缠绕管式换热器强化传热的方式^[17]。 BengtO. Neeraas等用试验的方法，使用不同工质（甲烷，乙烷，丙烷）以及不同的相态（气态和气液两相）对缠绕管式换热器的壳侧传热和压降做了研究^[18,19] 。Nassery研究了传热管径、缠绕管距、管内外的介质流动速率等对缠绕管式换热器的传热系数的影响^[20]。就世界范围内，螺旋缠绕管式换热器主要运用于合成氨，空气分离和大型液化天然气（LNG，Liquefied Natural Gas）的生产装置中等。当然，螺旋缠绕管换热器作为一种新型高效换热器，除了在LNG领域的广泛使用之外，世界范围内越来越多的工业生产过程正在加大其的装配数量，以满足自身的生产实际需要。

3.2国内发展及研究现状

在我国，绕管式换热器的研制和发展已经开始起步。20 世纪90年代西安交通大学、兰石设计院以及开封空分集团等组成了多股流高压绕管式换热器工业应用课题组^[21]。目前，我国已有许多单位和企业，初步掌握了螺旋缠绕管换热器的设计计算和加工制造方法，并结合国内压力容器标准，成功研制出我国的螺旋缠绕管换热器并投入工程应用，在市场中获得成功^[22]，我国螺旋缠绕管式换热器的主要运用有：大氮肥生产合成氨装置中的低温甲醇洗工艺，空气分离装置（这是缠绕管式换热器在高压、低温工况下广泛使用的主要领域），甲醇装置，化工行业临氢系统的应用，煤气化，大型天然气液化装置，食品行业等领域^[23,24]。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；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；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^[25]。

现在，我国也已经有了许多针对 LNG 生产流程缠绕管式换热器的研究。合肥通用机械研究院的陈永东等，对 LNG 缠绕管式换热器试验中的热物性计算方法进行了研究，结果表明计算误差均在工程允许范围。该计算方法有助于早日实现 LNG 缠绕管式换热器冷塔的国产化。总体上国内科研和制造单位对大型螺旋缠绕管式换热器的设计、计算、实验以及制造方面，还存在一定的技术瓶颈^[26,27]。

三、总结

综上述可知，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。其应用范围日趋广泛，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。

四、参考文献

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２．本课题要研究或解决的问题和拟采用的研究手段（途径）：

1、本课题的基本研究、设计内容与步骤

设计一台螺旋缠绕管式换热器.要求换热器的结构紧凑，占用面积小，运行可靠.

主要设计内容与要求：

(1) 查阅资料，要求广泛查阅相关技术资料，中文文献20篇以上，英文文献5篇以上，了解螺旋缠绕管式换热器的工作原理、应用领域、发展前景，及其优缺点.写文献综述，并作开题报告；

(2) 设计一台螺旋缠绕管式换热器，用于将21t/h的T－1煤油由140℃冷却到40℃，冷却水的进、出口水温为30℃和40℃；

(3) 完成相关传热计算、结构计算和阻力计算；

(4) 完成系统及主要部件的图纸设计.

指导教师意见：

1．对文献综述的评语：

2．对本课题的深度、广度及工作量的意见和对设计（论文）结果的预测：

指导教师：

年 月 日

所在专业审查意见：

负责人：

年 月 日