纏繞管換熱器結構發展及展望

楊禹坤　吳金星　倪　碩

（鄭州大學化工與能源學院節能技術研究中心，河南　鄭州　450001）

纏繞管換熱器結構發展及展望

楊禹坤吳金星倪碩

（鄭州大學化工與能源學院節能技術研究中心，河南鄭州450001）

纏繞管換熱器憑借其優良的綜合性能，在化工、煉油、空分及液化天然氣等工業行業中獲得了廣泛應用。隨著強化傳熱理論和制造技術的發展，更多結構復雜的纏繞管換熱器被設計和制造出來，其形式越來越多樣化。纏繞管換熱器從最初的三大類結構逐步分化，出現了浮頭式、半浮頭式結構、多股流結構、真空保溫結構、無管板結構和帶豎直隔板結構等類型，以適應特殊的工藝，滿足不同場合的需求。按照當前的發展趨勢，未來纏繞管換熱器朝著高溫、高壓且具有復雜結構的方向發展。

纏繞管；換熱器；單股流；多股流；浮頭式

纏繞管換熱器具有結構緊湊、安全高效、耐高溫高壓、介質溫度的段差及端差小等優良特點，在空分、化工、煉油和LNG液化等行業中應用越來越廣泛［1］。纏繞管式換熱器的雛形最早可追溯到1905年Linde公司［2］設計制造出的蛇管形式的管殼式換熱器，之后英國Hampson采用多根管子在中心圓筒上從內向外來回螺旋纏繞，這是最早具有現代結構形式的纏繞管換熱器。纏繞管換熱器在我國最早應用于化肥合成工業中低溫甲醇洗工藝單元中。目前，隨著制造水平的不斷提升，國內企業結合不同實際工況對纏繞管換熱器進行了開發和創新設計，推出了一些新型結構的纏繞管式換熱器，并在市場應用中獲得了成功［3］。

1　纏繞管換熱器的結構發展

傳統纏繞管換熱器大體有3種結構：一是單股流纏繞管換熱器，二是帶有若干小管板結構的多股流纏繞管換熱器，三是整體管板式多股流纏繞管換熱器。隨著強化傳熱理論和制造技術的不斷發展，纏繞管換熱器結構呈現多樣化，國內廠家開發出了浮頭式、半浮頭式結構、新型多股流結構、真空保溫結構、無管板結構和帶豎直隔板結構等類型［4，5］。

圖1　浮頭式雙管程纏繞管換熱器

1.1浮頭式雙管程結構及半浮頭式結構

纏繞管浮頭式雙管程換熱器［6］如圖1所示，換熱器殼體兩端通過法蘭分別連接左、右封頭，左封頭內裝1個浮頭，浮頭通過法蘭與左管板連接，構成換熱器的左管箱，并把管程與殼程流體分開，且浮頭可在左側殼體內滑動；右封頭通過法蘭夾持住右管板，與殼體固定在一起，并在管箱中設置一分程隔板，將管程分為雙程，在該封頭上隔板兩側分別焊接管程進、出口接管。

該結構形式換熱器具有以下優點：該換熱管束及浮頭可從殼體右端抽出，以便進行管外清洗；換熱器浮頭可在殼體內自由滑動，從而避免管束及殼體內產生較大的熱應力；換熱器采用雙管程結構，可有效提高管內流體流速，從而提高管內對流換熱系數；換熱管常用螺旋纏繞式結構，可增強換熱管內流體流動的湍流度，提高對流換熱系數，并增強換熱器工作時的穩定性。

許倍強等［7］提出一種螺旋纏繞管半浮頭式換熱器，其主體結構與上述浮頭式換熱器類似，二者的主要區別在于：一是半浮頭式換熱器為單管程結構，管程進出口接管安裝在兩側封頭上；二是半浮頭式換熱器的兩側封頭都是固定式，但左側封頭直徑小于筒體直徑；三是左側管板直徑小于筒體內徑，可在筒體內滑動；四是左側封頭通過管箱法蘭、筒體內法蘭采用沉頭螺栓與左側管板連接，如圖2所示。半浮頭式換熱器較浮頭式換熱器減少了一個左側封頭及右側的管箱隔板，使換熱器的結構簡化，也降低了制造難度和制造成本。

圖2　半浮頭式換熱器的左側管板與封頭連接型式

1.2新型多股流結構

多股流結構不僅可以滿足多種流體之間的同時換熱，還能適應不同的工藝流程中復雜的換熱工況，具有廣泛的適用性［8］。目前針對天然氣液化和低溫液氮等領域，已開發出適用于不同工藝流程的新型多股流纏繞管換熱器，歸納起來主要有兩大類結構：單芯體結構、多芯體結構。

1.2.1單芯體結構。目前，大型天然氣液化系統大多數采用整體換熱方式，造成換熱器的體積龐大，制造、安裝及運輸麻煩，且不易檢測，維護困難。張周衛等［9］提出了一種LNG低溫液化一級制冷四股流螺旋纏繞管式換熱器，如圖3（a）所示。該結構的主要特征是：中心筒兩端分別用支撐圈固定于筒體的上部和下部，在上支撐圈與下支撐圈之間布置螺旋纏繞管束；筒體上部左側安裝流體A出口接管，右側安裝天然氣出口接管；筒體最上邊的2根接管分別是節流后的流體B和流體C的進口接管；筒體中間的2根接管分別是流體B和流體C的出口接管；筒體下部左側是流體A進口接管，右側是天然氣進口接管；筒體下部中間左側安裝流體B進口接管，下部中間右側安裝流體C進口接管；耳座安裝在筒體的中部。

這種結構根據LNG一級低溫液化的特征，可以通過使用3臺螺旋纏繞管換熱器分別應對天然氣液化時的三段制冷工況。該四股流螺旋纏繞管換熱器，通過控制相變制冷流程，進而控制天然氣預冷溫度及壓力，提高換熱效率，成功解決了天然氣一級的冷卻問題，且具有體積較小、換熱效率高、伸縮調整功能等優點。

類似的結構還有一種LNG低溫液化二級制冷三股流螺旋纏繞管換熱器［10］。該三股流結構與上述四股流結構的主要不同之處在于：四股流結構在殼體的上、下端位置均連接有兩股纏繞管；而三股流結構是在換熱器殼體的上、下端位置僅連接有一股纏繞管接管。

張周衛等［11］提出了一種六股流四管束螺旋纏繞管式換熱器，該多股流纏繞管換熱器以串聯的形式將換熱器內多股纏繞管管束繞在同一芯體上，如圖3（b）所示。該結構的主要特征為：該結構分為上下兩部分，且上下結構不對稱，下部筒體比上部筒體直徑較大；換熱器上下部分共用一個芯體，下部設有四股管束接口，在換熱器的中部設有一出口接管，一股流體經此流出，剩余三股沿芯筒繞至末端由上端接口分別引出。

該結構換熱器具有結構緊湊、效率高、換熱溫差大、自緊收縮調整等功能，能夠克服低溫液氮二級制冷技術難題，提高低溫液氮工藝系統的低溫回熱換熱效率，解決高壓氮氣二級低溫回熱及凈化氣預冷問題，為合成氨低溫液氮三級制冷裝置提供預冷條件。

1.2.2多芯體結構。在合成氨及低溫液氮等領域，由于工藝復雜、設備龐大，張周衛等［12，13］還提出了多芯體多股流結構的纏繞管換熱器。如圖4（a）所示：一種具有雙芯體結構的未變換氣冷卻器用低溫纏繞管式換熱器，該結構主要特征是：換熱器分為上下兩個換熱單元，兩單元間的纏繞管部分互相獨立；下部的換熱單元是一單股流螺旋纏繞管換熱器，上部的換熱單元是一雙股流螺旋纏繞管式換熱器；上下兩單元共用一個筒體，且上部筒體直徑比下部大；兩換熱單元的獨立芯體上分別由支撐圈固定；上部雙股流纏繞管換熱器封頭處連接殼程進口，下部單股流纏繞管換熱器的下方連接殼程出口；換熱器的下封頭處連接耳座。

圖3　單芯體纏繞管式換熱器

該結構用1臺纏繞管換熱器就可滿足傳統未變換氣冷卻器的生產工藝，減少了換熱器的臺數，且結構緊湊，增大了單位體積的換熱面積。另外，采用雙股流纏繞管式未變換氣冷卻器替代傳統的單股流列管式換熱器，換熱管熱膨脹可自行補償，換熱器易實現大型化。

圖4（b）所示為一種三芯體結構——LNG低溫液化混合制液體多股流螺旋纏繞管換熱器。與雙芯體結構類似，該結構主要特征是：換熱器分為上中下三段，分別作為獨立的換熱區間；換熱器上段的殼體直徑較小，中、下段殼體直徑較大；每段對應各自獨立的芯體和纏繞管；該結構上部是一個雙股流纏繞管換熱器，中部是一個三股流繞管換熱器，下部是一個四股流繞管換熱器；殼程進口位于上端左側，殼程出口位于下端封頭處；在筒體直徑漸變段及中下兩段之間都設置有殼程進口。

圖4　多芯體纏繞管換熱器

1.3真空保溫結構的雙股流結構

張周衛等［14］提出了一種帶真空絕熱層的雙股流低溫螺旋纏繞管式換熱器，該結構主要包括：兩股螺旋纏繞管束和真空殼體，其結構形式如圖5所示，主要特征為：殼體分為內壓殼體和外壓殼體，上下內封頭與管板采用焊接鏈接，兩殼體之間為真空結構，且填充有珠光砂；在上管板處設有一排氣管，下管板處設有一排液管；外壓殼體底部設有一真空接管；隔板將上下封頭分為左右4個管箱，對應不同的接管。該形式將整體式真空結構應用于雙股流螺旋纏繞管式換熱器，先制造芯體等內部構件，再組裝內殼并進行檢測，檢測合格后，制造并安裝真空外殼，實現換熱器的整體真空絕熱過程。

真空低溫絕熱技術［15］，是當前低溫換熱技術中控制環境熱量對內傳熱的最佳手段，能夠顯著改善環境熱源通過傳導、輻射和對流等途徑對換熱器內部的傳熱過程，與傳統的用毛細材料絕熱的方法相比，性能可以提高一個數量級，克服了真空絕熱技術不能與大型纏繞管式換熱器相結合等缺點，且保溫效果較好。

汪雅紅等［16］提出了一種帶真空絕熱層的單股流低溫螺旋纏繞管式換熱器，該形式類似與張周衛提出的帶真空絕熱層雙股流低溫螺旋纏繞管式換熱器，主要包括螺旋纏繞管束和真空殼體，二者區別主要在于前者提出的是兩股螺旋纏繞管束，而后者提出的是單股螺旋纏繞管束。

圖5　帶有真空保溫層的雙股流纏繞管換熱器

1.4無管板式結構

傳統的纏繞管換熱器采用焊接方式連接管板與換熱管，這種方式可以消除換熱管對管箱封頭與殼體封頭之間的應力，但是該設計復雜，制造成本高。市場上普通纏繞管式換熱器只針對單一流體進行換熱，不能滿足多種流體同時換熱需求。為解決傳統纏繞管浮頭式換熱器管板與封頭連接設計復雜、制造成本高、換熱流體單一的問題，梁淑幗等［17］發明了一種不帶浮頭管板、多種流體同時換熱的纏繞管換熱器。該新型纏繞管換熱器結構如圖6所示，主要包括筒體、上下封頭和換熱元件。該結構的特征為：上下兩封頭均設有一流體口，形成流體自上而下或自下而上的流體殼程；換熱元件包括至少一組螺旋纏繞管；換熱管的兩端與流體進出口管焊接，且通過支撐結構固定在筒體內；為了使得工藝氣和流體在殼程內同時換熱，該結構上下封頭分別設有一工藝氣口。

該結構形式的優勢在于：換熱管兩端分別與流體進出口管固定連接，省去了浮頭管板結構，大大降低了制造的難度；管箱筒體上設有工藝氣進出口管，可以進行液-液、氣-液等不同物態換熱，且簡單高效；流體進出口管可設置多組，可同時通入不同流體進入管程換熱以滿足不同工藝條件的需求。

1.5帶豎直隔板結構

陳杰等［18］提出了一種腔體內設置豎直隔板的纏繞管換熱器，主要包括殼體、中心筒和換熱管。如圖7所示，中心筒設置于所述殼體的腔體內，形成環腔，環腔內纏繞換熱管。該結構的主要特征是：環腔內設有若干個以豎直的方式布置的金屬孔板，換熱管穿過金屬孔板上的通孔纏繞在中心筒上，層與層之間用墊條隔開；金屬孔板的一端焊接在殼體的內壁，另一端焊接在中心筒的外壁，且孔板圍繞中心筒呈周向對稱布置；金屬孔板上方的腔體內有一氣液均布器。

這種換熱器主要應用于海上天然氣浮式平臺，與現有的纏繞管式換熱器相比，該結構通過在腔體內部豎直設置金屬孔板，將完整的一個腔體分隔成若干個獨立腔體，而各獨立腔體內部的液體不會流入其他腔體中，能夠保證該腔體的殼側液體與該腔體的管內液體換熱充分，不會因為換熱器的傾斜導致原腔體內部換熱失效。在海上晃蕩工況下，金屬隔板的布置能將殼體液膜區的覆蓋率提高20%以上，整體換熱性能也因此提高1/5。此外，該結構中所有的繞管均需穿過金屬孔板固定，金屬孔板與中心筒和殼體焊接在一起，能夠承受的強度應力較高，滿足于海上特殊的工況。

圖6　無管板式纏繞管換熱器

圖7　帶豎直隔板結構

2　纏繞管式換熱器的發展趨勢

本文綜述了纏繞管換熱器的一些新型結構，如浮頭式、半浮頭式結構、多股流結構、真空保溫結構、無管板結構和帶豎直隔板結構及串聯多股流結構等，著重描述了不同結構的特點、優勢及主要適用的工況。

從當前纏繞管換熱器的發展情況來看，浮頭式、半浮頭式結構的出現，象征著纏繞管換熱器的結構趨于容易拆卸、清洗的方向發展；不同形式多股流結構的出現，表明纏繞管換熱器的結構呈現多股流、復雜化的變換趨勢；真空保溫結構能夠使換熱器在工作過程中大大降低熱量的散失，表明纏繞管換熱器保溫的技術愈加進步；針對海上平臺等特殊的工作環境，生產針對性具有豎直隔板結構的換熱器，表明纏繞管換熱器針對特殊工況可以做出相應的結構改進，來滿足實際的需求。總的來講，纏繞管換熱器形式朝著耐高溫、高壓的方向發展，其結構及制作工藝愈加復雜化，同時能夠滿足更加苛刻的工藝要求。

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［17］梁淑幗，黃雪，顧德杰，等.一種繞管式換熱器：中國，ZL104567481A［P］.2015-04-29.

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Development and Prospect of the Structure of Spiral-wound Heat Exchanger

Yang YukunWu JinxingNi Shuo
（Research Center of Energy-saving Technology of School of Chemical and Energy Engineering，Zhengzhou University，Zhengzhou Henan 450001）

Due to its excellent overall performance，the spiral-wound heat exchanger is widely used in industries such as chemical engineering，petroleum refining，air separation and liquefied natural gas，etc..With the development of enhanced heat transfer theory and manufacturing technology，more and more complex structure of the spiralwound tube heat exchanger was designed and manufactured，and it is becoming more and more diversified.The form of the spiral-wound heat exchanger gradually refined from the original three categories，such as the types of floating head and semi-floating head structures，vacuum insulation structure，no-tube-plate structure，and the band structure of the vertical separator type，in order to accommodate special technology and meet the need of different occasions. According to the current development trend，the the spiral-wound heat exchanger with the complex structure will adapt to the high temperature and high pressure in the future.

spiral-wound；heat exchanger；single-stream；multi-stream；floating head

TB657.5

A

1003-5168（2016）07-0074-05

2016-06-06

河南省重點科技攻關計劃項目（162102210006）；鄭州市產學研合作促進計劃項目（152107000045）。

楊禹坤（1992-），男，碩士，研究方向：化工與能源。