绕管式换热器的结构形式分析及应用前景

代鹏

山东北辰机电设备股份有限公司山东济南250300

摘要：随着绕管式换热器应用要求的不断提高，研究其结构形式分析及应用前景凸显出重要意义。本文首先介绍了绕管式换热器的结构形式特点，提出了提高绕管式换热器设备工作效率的可行性措施，并结合相关实践经验，分别从大型化、高温化，以及高压化等多方面，就绕管式换热器的应用前景展开了研究，阐述了个人对此的几点看法与认识。

关键词：绕管式换热器；结构形式；应用前景

一、前言

作为换热器最为主要的种类之一，绕管式换热器的应用优势不言而喻。该项课题的研究，将会更好地提升对绕管式换热器的结构形式的分析与掌控力度，从而通过合理化的措施与途径，进一步优化其在实际应用中的整体效果。

二、绕管式换热器的结构形式特点

1.结构构成原理

缠绕管式换热器（SpiralWoundedHeatExchanger）相对于普通的列管式换热器具有不可比拟的优势，其适用的温度范围广，适应热冲击，能够自身消除热应力，紧凑度非常高，由于自身具有特殊的构造，使得其流场充分发展，不存在流动死区，其中最特别的是，通过设置多股管程（壳程单股），能够在一台设备内满足多股流体的同时换热。绕管式换热器是在芯筒与外筒之间的空间内将传热管按螺旋线形式交替缠绕而成的，相邻两层螺旋状传热管的螺旋方向是相反的，并采用具有特殊形状的定距件，使之能够保持一定的间距。

缠绕管可以采用单根绕制而成，也可采用两根或者多根组焊后一起然后绕制而成。管内可以通过一种的称为单通道型绕管式换热器；也可分别通过几种不同的介质，而每种介质所通过的传热管最后均汇集在各自的管板上，构成的换热器称为多通道型缠绕管式换热器。区别于平常所用的直管式换热器，绕管式换热器的优势是，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。

2.技术特色绕管式换热器的三大技术特色

技术特色绕管式换热器的三大技术特色或者说是技术精髓为：精准的换热管间距、合理的管层数量以及层间距、全自动化的机器人焊接流程。

（一）精准的换热管间距不锈钢管材因为其材质的特殊性而导致了在弯曲或者缠绕的时候很难具有塑性，为实现所有换热管的间距都是统一的这一技术要求带来了很大的困难，这就要求我们在加工时需要完备的技术和丰富的经验，而正是原装进口的高精度设备和顶尖的缠绕工艺为我们机械的生产提供了基础。

（二）合理的管层数量以及层间距在换热管束缠绕时，每层相对的管径都在发生着变化，盘绕角度又要保持一致，要保证每根换热管的长度基本相同确实是很难做到的。而设计师设计出了每层换热管不同数量，以及合理的层间距就完美地攻克了这一难题，同时也解决了复杂换热条件下的流道要求。

（三全自动化的机器人焊接流程在设备生产的过程当中，采用全自动化的机器人焊接，以保证所有焊点尤其是在管板焊接都实现了标准统一，安全性能极高。

3.绕管式换热器应用于工程的主要优点

（一）结构紧凑，单位容积具有较大的传热面积。对管径8～12mm的传热管，每立方米容积的传热面积可达100～170平方米。

（二）可同时进行多种介质的传热。

（三）管内的操作压力高，目前国外最高操作压力可达2000多MPa。

（四）传热管的热膨胀可自行进行补偿。

（五）换热器容易实现大型化发展。

三、提高绕管式换热器设备工作效率的可行性措施

1.使用复合材料显著缓解机器发热热量

绕管式设备使用复合材料可以显著缓解机器发热对于内部构件的损伤。根据复合材料缠绕技术中，缠绕容器散热效率的实验中得到了测试结果表明，一般的气-气型管壳形式的换热器传染系数约为80-380w/（m2-k），并且，绕管式换热器的总传热系数在峰值运行期间，可以达到590w/（m2-k）以上。由此可见，在一般的散热操作零构件中，使用绕管式换热器设备开展机器换热，效果最为显著，单位时间的散热效率也最高。

2.采用纤维缠绕圆柱形结构提高散热效果

对于一般的绕管式换热器中的固定管板部分，通常会在换热的过程中由于“热胀冷缩”物理原理会产生一定的管线膨胀。

20世纪末期，美国著名的热力材料科学家MattTriplett、Neer-AAS等科学家，针对不同工质的材料开展绕管散热技术的探讨，对于纤维缠绕圆柱形的散热效果进行了一系列具体试验。对于绕管式换热器的壳程传热效率和压降模式来说，随着制热能量在等量梯级增加的情况下，散热容器的裂纹长度随之变长，负荷效能呈现出过高的现状。并且，当外界的供热能量增加到一定的数值时，压力容器上的迟到区域冲击区域与薄膜区域的冲击，对于散热容器产生的等量降低效果基本呈现出正相关的受损趋势。

3.加强对于绕管式本体的探伤，提高管体材料使用寿命

在散热体的管控过程中，使用目视法是检测散热容器抗损伤的最简单和直接有效的方法。机械设计师通过肉眼对换热器内部的绕管部分进行检查，或者借助放大镜对容器外表面的壁衬进行检测，可以发现在受热情况下，复合缠绕材料表面纤维的具体受损伤的情况。

四、绕管式换热器的应用前景探讨

1.绕管式换热器的大型化趋势

由于绕管式换热器结构的特殊性，它的封头虽然很小，但是管子可以长达数百米，目前已开发制造了一些大型的绕管式换热器。随着装置的大型化趋势不断发展，要求绕管换热器也要不断增大。但是目前普通列管式换热器由于管子的限制，是无法把换热器做大的。

2.绕管换热器的高温化趋势

绕管式换热器必备的性能就是高效的换热性能，但其目前基本上只应用于深冷装置。从2001年开始，合肥通用所等企业开始专注研究能够应用于高温场合的绕管式换热器，并且，于2002年在镇海炼化投入使用，这种换热器所采用的是CrMo钢耐高温材料。经过几年运行，该换热器的性能能够完全达到使用要求，而且质量也很可靠。这种产品的成功应用大大拓宽了绕管式换热器的应用领域，使其可以从低温应用领域转向高温应用领域。如果介质允许，在炼油行业也是可以应用绕管式换热器的。

3.绕管式换热器的高压化趋势

目前，绕管式换热器多应用于壳程压力高而管程压力低的地方，一般壳程压力能够达到15.0MPa，但是管程压力普遍小于5.0MPa。由于绕管式换热器的结构特点为：管板小，壳程压力大，两端入口封头较小，所以该结构能克服一般的高压换热器的缺点。普通高压换热器一般都是采用浮头式或者U形管式，当压力提高时，不仅加大了壳体厚度，而且还会大幅度提高法兰的强度等级。而绕管式换热器却可以利用其加长的长度来增大面积，而且两端的小管板也使得连接的法兰减小，这样会将制作工艺简单化。目前，国内某些单位正在研究用绕管式换热器逐步替代炼油行业中的一些高压换热器，如，加氢裂化和重整装置等。

五、结束语

通过对绕管式换热器结构形式分析及应用前景的研究，我们可以发现，绕管式换热器的诸多优势特点，决定了其在实际应用中的地位，有关人员应该从绕管式换热器应用的客观实际需求出发，研究制定最为符合实际的应用实施策略。

参考文献：

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