纏繞管式換熱器性能及應用研究進展*

肖 娟 簡冠平 王家瑞 王斯民

(西安交通大學化學工程與技術學院)

纏繞管式換熱器性能及應用研究進展*

肖 娟**簡冠平 王家瑞 王斯民

(西安交通大學化學工程與技術學院)

介紹了纏繞管式換熱器的主要結構形式，從實驗研究和數值模擬兩方面綜述了纏繞管式換熱器的研究現狀。重點闡述了多股流纏繞管式換熱器的殼側傳熱模型和設計計算研究、幾何結構參數對纏繞管式換熱器流動傳熱性能的影響和不同換熱管形式的纏繞管式換熱器研究?；谀壳叭〉玫难芯砍晒Y合纏繞管式換熱器的工程應用現狀，指出了需要深入研究的方向和發展趨勢。

纏繞管式換熱器 實驗研究 數值模擬 流動傳熱

纏繞管式換熱器是一種高效的緊湊式換熱器，于1895年由Linden公司研發使用，具有單位體積換熱面積大、傳熱系數高、允許操作壓力高及可實現多介質同時換熱等優點，廣泛運用在低溫或深冷工段中，如液化天然氣、低溫甲醇洗、空氣分離及液氮洗等裝置[1～4]。由于結構形式特殊，在一定程度上對其傳熱有強化作用，主要表現在纏繞管式換熱器結構緊湊、單位體積換熱面積大和傳熱效率高；對于殼程，相鄰纏繞層之間纏繞方式相反，并且墊條等部件加大了殼程流體的擾動，易形成湍流；對于管程，流體在纏繞管內呈螺旋流動，會形成二次流，使得管側膜傳熱系數提高，從而換熱系數增大，傳熱效率增加[5～7]。

近年來國內外采用實驗研究和數值模擬的方法對纏繞管式換熱器進行了一些研究工作。自2004年Neeraas B O等公開LNG纏繞管式換熱器低溫實驗，研究殼側傳熱模型以來，相繼對纏繞管式換熱器的傳熱模型和壓降模型進行實驗研究，同時還研究不同換熱管形式下的纏繞管式換熱器[8，9]。隨著計算機技術的不斷發展，數值模擬在纏繞管式換熱器中也得到了運用，大量學者分析了纏繞管式換熱器幾何參數對流動傳熱的影響，為纏繞管式換熱器的結構優化提供了信息，筆者將結合以上研究內容，對目前纏繞管式換熱器的研究現狀和應用發展進行綜述。

1 纏繞管式換熱器的結構

由于傳統管殼式換熱器的換熱管通常采用直管或U形管，考慮到如何在有限的空間內使換熱管增長、單位體積的換熱面積增大，研發了一種新型纏繞管技術，因此出現了纏繞管式換熱器。纏繞管式換熱器主要由殼體、芯管和纏繞管束三大部分組成，纏繞管束以芯管為中心，一般呈現多層螺旋盤狀繞制，相鄰兩層間設有墊條，纏繞方向相反，為保證纏繞管均勻分布，使同層換熱管的纏繞角相同，其相鄰換熱管橫向管間距和縱向管間距保持不變。

纏繞管的纏繞形式有兩種，可利用傳統的單根繞制(圖1)，也可采用并管，即兩根或多根換熱管通過焊接形成并管(圖2)，然后繞制在芯管上，并管纏繞的特點是避免了殼程流動的死區，且通常用于管程介質為兩種或以上的多股流換熱。關于并管纏繞形式，尹接喜等基于Kao S研究的適用于纏繞管式換熱器并管焊接在一起的傳熱模型，建立了一種適用于并管間存在一定距離的傳熱模型，為研究并管纏繞管式換熱器的設計計算奠定了基礎[10]。

圖1 單管纏繞管束剖面結構

圖2 并管纏繞管束剖面結構

基于傳統纏繞管式換熱器的結構形式，隨著研究的不斷深入和設計制造技術的提高，出現了一些新型的纏繞管式換熱器，對目前纏繞管式換熱器的結構進行了改進，但這些新型的纏繞管式換熱器的應用受實際工程環境的影響較大。

傳統纏繞管式換熱器是多層纏繞，為保證換熱管固定，不在工作狀態下出現振動現象，在結構設計中相鄰層之間和同層換熱管之間都有支撐部件。當殼層流通截面積較大時，需加大相鄰層間和同層換熱管間的間隙，但是一旦間隙加大，一方面會使殼層擾動減小、換熱性能降低；另一方面因加大了保持間隙的支撐結構，且強度、剛度要求更高，制造成本也增加?；谝陨显颍S倍強等發明創造了一種螺旋纏繞管陣列式換熱器，該換熱器主要由殼體和螺旋管環束兩部分組成，螺旋管環束可有多層，每層由多根單螺旋管相互嵌插形成，該整體結構使得殼程流道更分散，擾動效果更明顯[11]。

張明輝設計了一種螺旋螺紋管殼式換熱器(圖3)[12]，其特征是：每根換熱管在殼體內呈螺旋盤管狀，換熱管呈環形層疊交叉排布，換熱管與管板采用強度焊固定連接，管殼層介質進出接管尺寸相同，位置對稱。該新型換熱器主要優點表現在：換熱管采用小管徑的螺紋管，在殼體內呈現的形式使換熱管具有一定的自行補償能力，可減少熱應力，減小對換熱管的傷害；組件采用不銹鋼材料，耐腐蝕性能增強，但成本也相對較高；換熱管與管板之間密封性能好；流體進出口接管采用對稱設計，安裝方便。SECEPOL公司也生產螺旋螺紋管殼換熱器，由于體積小，換熱性能高，目前已在制藥化工、暖通制冷及食品機械等行業得到運用。但該換熱器難實現大型化，且內部纏繞管間無支撐部件，易發生振動，導致換熱器壽命縮短。

圖3 螺旋螺紋管殼式換熱器

纏繞管式換熱器的研究方法主要有實驗研究和數值模擬兩種。研究內容主要集中于以下幾個方面：多股流纏繞管式換熱器研究，結構參數對纏繞管式換熱器流動傳熱的影響，纏繞管式換熱器的結構設計、計算方法以及傳熱強化等，筆者將從兩種研究方法出發，概述目前纏繞管式換熱器的研究現狀。

2 實驗研究

多股流纏繞管式換熱器典型運用是作為大型陸上LNG的主低溫換熱器(MCHE)，LNG纏繞管式換熱器的換熱主要是天然氣的液化過程，溫度高的天然氣從換熱器底端進入管程，溫度低的混合冷劑從頂部進入殼程，天然氣由下至上分別經過預冷段、深冷段和過冷段3部分，主要涉及到LNG低溫液化混合冷劑多股流換熱和混合冷劑節流制冷技術[13，14]。為研究LNG纏繞管式換熱器殼程的傳熱和壓降模型，Neeraas B O等利用搭建的實驗裝置，測量了LNG纏繞管式換熱器殼側局部傳熱系數和摩擦壓力，并與已有文獻給出的半經驗公式計算值對比，以對計算模型進行優化，該實驗在纏繞管式換熱器的研究中很有影響力，成為后來很多模擬研究中模型驗證的有效支撐[8，9]。

在研究纏繞管式換熱器幾何結構參數對流動和傳熱的影響上，Ghorbani N等通過實驗的方法研究了纏繞管式換熱器在混合對流條件下，螺旋間距、管徑等對殼側傳熱系數的影響，研究表明管徑對殼側傳熱系數的影響可忽略，殼側對流傳熱系數隨著螺旋間距的增加而增大，纏繞表面積的增加使得表面對流傳熱系數降低[16]。

纏繞管式換熱器的強化傳熱可通過改進換熱管形式得到提升，Gupta P K等研究了內部具有一定粗糙度的翅片纏繞管式換熱器在管側雷諾數為3 000～30 000，殼側雷諾數為25～155下的壓降特性[17]。實驗結果表明，以往用于光管的經驗關聯式無法適用于翅片纏繞管式換熱器管側的壓降計算，并且表面粗糙度對換熱性能的影響隨著di/Dm的增加而愈加明顯，文章根據實驗數據還提出了新的計算管側和殼側摩擦因子的關聯式。

通過實驗方法能有效測定換熱器的性能，但是實驗研究對裝置的條件要求較高，成本較大，因此一般可行性的實驗對象為小型的纏繞管式換熱器，對工程運用的大型纏繞管式換熱器只能基于此進行定性分析，適用性還有待考察，因此實驗研究方法具有局限性。

3 數值模擬

計算流體動力學(CFD)是隨著計算機技術飛速發展而出現的一種獨立于理論分析和實驗研究之外的第3種研究流體流動和換熱的研究方法，具有成本低、能模擬復雜或較理想狀態下的過程的特點。對換熱器的計算流體動力學模擬，可獲得其內部的溫度場和流場特點，還能獲得其傳熱系數、壓降等數據，一次有效的模擬研究能為換熱器的設計提供一定的理論支持。

對于多股流纏繞管式換熱器的設計計算研究，張周衛等在這方面做了許多工作，并申請了多項專利[18，19]。就雙股流纏繞管式換熱器而言，張周衛等提出了一種適用于逆流換熱的雙股流纏繞管式換熱器的設計計算方法，利用數值模擬的方法，以一定的邊界條件，對管束內溫度場、壓力場、流速及傳熱系數等進行了分析，并以管內介質為甲醇冷卻變換氣為例，進行了實例計算，同時還分析了以管徑為自變量的優化設計[20]。除了多股流纏繞管式換熱器的設計計算研究，由于可采用小管板結構，有學者也致力于管板的有限元應力分析模擬，對管板結構進行優化[21，22]。

目前眾多文獻中介紹了利用數值模擬的方法研究纏繞管式換熱器幾何參數對殼程流動傳熱的影響。對于多股流纏繞管式換熱器，Lu X等在文獻[23]中指出，單位長度的管殼側努塞爾數和壓力降隨著纏繞層數，芯管直徑和繞管外徑的增加而增加，但隨著墊條厚度和第1層管間距的增加而降低[23～25]。文獻[24]進一步說明主要幾何結構參數適宜的取值范圍，墊條厚度一般是2～3mm，第1層管間距的推薦值是使得纏繞角在5～15°范圍內，該研究模型有文獻[8]的殼側傳熱模型作為實驗驗證，更具可靠性。賈金才模擬結果表明，隨著繞管外徑和徑向間距比的增加，表面對流換熱系數均降低；隨著軸向間距比的增加，對流換熱系數增加，但是影響不是特別顯著，而纏繞角度和同一層不同的纏繞圈數對傳熱特性影響較小[26]。魏江濤和曾桃利用不同的模型也得出了類似的結論[27]，但文獻[26，27]所建模型均未考慮墊條對流動傳熱的影響，同時文獻[26]由于主要研究殼程的流動和傳熱，在建模的時候將換熱管設為實心管，恒壁溫。季鵬等的研究也表明，小芯管直徑，小墊條厚度對流動傳熱有利[28]。

馬飛在研究螺旋纏繞圓管換熱器的殼側流動和傳熱的數值模擬基礎上，對比研究了兩種新型換熱管形式的纏繞管式換熱器(螺旋纏繞橢圓管換熱器和螺旋纏繞三葉管換熱器)，并建立了基于截面周長不變原則的截面參數不同的3種橢圓管和3種三葉管的殼側流動傳熱幾何模型，分析了雷諾數在2 000～10 000范圍內，橢圓管、三葉管和圓管的殼側流動傳熱性能，發現三葉管的綜合性能最好[29]?；跉妊芯康南嗤瑤缀文Ｐ?，還對螺旋纏繞橢圓管和螺旋纏繞三葉管的管內流動與傳熱進行了數值模擬研究。

4 纏繞管式換熱器的應用及發展趨勢

4.1 纏繞管式換熱器應用

纏繞管式換熱器由于結構緊湊、換熱效率高、冷熱端溫差小、管內操作壓力高及可靠性高等優點，在石油化工、食品機械、暖通空調及醫藥等行業均具有廣泛應用，其適用溫度、壓力范圍非常廣。

在低溫裝置中，如低溫甲醇洗、低溫液氮工藝及LNG等，張周衛等研發了系列纏繞管式換熱器，并對其結構特征和設計原理進行了說明，以便為低溫用纏繞管式換熱器的設計計算提供參考[30～32]。在天然氣汽化裝置中采用纏繞管水浴式汽化器可有效防止結冰[33]。Truong T等發明了一種用于LNG的纏繞管式換熱器系統，根據給定的結構尺寸可使傳熱效率和生產效率更高[34]。

纏繞管式換熱器除了應用在深冷、低溫裝置中，近年來也逐漸由低溫領域向中高溫區域發展。在熔鹽應用中，展現了它在換熱面積、壓力降等方面的優勢[35]。在臨氫系統中，如加氫裂化裝置，連續重整裝置上也逐漸代替以前的傳統換熱器，同時采用CrMo作耐高溫材料，在化肥加氫裝置上出現了首臺15CrMo纏繞管式換熱器進行高溫換熱。

纏繞管式換熱器其纏繞管一般采用銅、鋁或不銹鋼等制造，其應力強度高，由于纏繞管束的補償性能良好，因此可承受較大的操作壓力，目前國內外制造的纏繞管式換熱器可實現的最大操作壓力為22MPa。高壓纏繞管式換熱器的典型代表是開封空分集團研發的運用于空氣分離的高壓纏繞管式換熱器。

運用于石油化工行業的纏繞管式換熱器較為大型，而在制藥、暖通及食品行業運用多為小型化的纏繞管式換熱器，如SECEPOL公司的JAD系列螺旋螺紋管式換熱器，被稱為歐洲的“蒸汽王子”。

4.2 纏繞管式換熱器發展趨勢

纏繞管式換熱器由于結構特殊，具有優越的傳熱性能，在工業生產中具有廣闊的應用前景，因此為滿足多元化的工藝場合，需要加大對纏繞管式換熱器結構性能的完善，基于高質量的機械加工技術，除了實現纏繞管式換熱器的高壓化、高溫化、大型化及多股流化等趨勢，也可以使纏繞管式換熱器在以下幾個方面有更大的突破。

4.2.1防結垢

隨著纏繞管式換熱器運用范圍的擴大，也逐漸出現在LNG、柴油加氫及芳烴等裝置中，但是在這些領域的運用中，由于介質粘性更大，更容易產生污垢，而結垢會使污垢熱阻增加，傳熱系數降低，直接影響傳熱性能，使得傳熱效率下降，同時也會導致流動阻力增加，使得耗能增加，并且由于纏繞管式換熱器是緊湊式換熱器的一種，很難進行清洗，因此會使設備維護更加困難。由此，隨著工業加工技術的發展，有必要使纏繞管式換熱器防結垢的特點優化，以滿足更廣泛的工程應用需求。

4.2.2防泄漏

纏繞管式換熱器的泄漏區域主要可能出現在纏繞管與管板連接處和纏繞管束的損壞[36]。目前許倍強等研究發明了一種雙管板纏繞管式換熱器，該換熱器利用雙管板能形成一段空區，有效防止管殼程介質混合和避免因少量泄漏而產生的危害[37]。對于換熱管損壞產生的泄漏，可以通過改善纏繞管材料或改進纏繞技術來避免。

4.2.3防振動

換熱器的振動破壞是換熱器事故中一個重要因素，一般會導致管子碰撞損傷、疲勞破壞及聲振動等。在換熱器內，由于流體流動會產生動態力作用在管子上，使得管子振動，此即為流體的誘導振動。在纏繞管式換熱器內，雖然纏繞管束具有一定的彈性段，對振動有一定的影響，但是對管束的振動分析和防振措施依舊是一個重要的研究方向。

4.2.4節能

能量回收是一種高效利用能源的方法，在多股物流的換熱系統中，將物流進行合理地匹配，充分利用熱物流去加熱冷物流，提高換熱過程中的熱回收率，減少公用工程加熱負荷和公用工程冷卻負荷，在換熱網絡合成中應用最為廣泛的方法是夾點技術，因此對于多股流纏繞管式換熱器，可以考慮利用夾點技術進行換熱網絡優化以達到節能的目的。

5 結束語

纏繞管式換熱器基于自身獨特的結構形式，在傳熱性能、抗高壓及低溫應用等方面，相比普通的管殼式換熱器具有一定的優勢，并且隨著生產需求的加大，機械加工技術的提高，不斷涌現一些結構更完善或更新穎的纏繞管式換熱器。目前纏繞管式換熱器的研究現狀，主要集中于纏繞管式換熱器的設計計算和結構對流動傳熱性能的影響，基于以上可對纏繞管式換熱器的結構進行優化設計，以成為更高效節能的換熱設備。盡管如此，目前國內外對纏繞管式換熱器的研究相比于普通管殼式換熱器依舊不夠成熟，但這也正是學者們需要積極努力的方向。

[1] 陳永東，陳學東.我國大型換熱器的技術進展[J].機械工程學報，2013，49(10)：134～143.

[2] Pacio J C，Dorao C A.A Review on Heat Exchanger Thermal Hydraulic Models for Cryogenic Applications[J].Cryogenics，2011，51(7)：366～379.

[3] Deshpande G N，Sali N V.Experimental Investigation of Performance of Spiral Coil in Spiral Tube Heat Exchanger[J]. Applied Mechanics & Materials，2014，592/594：1564～1569.

[4] Lu X，Du X P，Zeng M，et al.Shell-side Thermal-hydraulic Performances of Multilayer Spiral-wound Heat Exchangers under Different Wall Thermal Boundary Conditions[J]. Applied Thermal Engineering，2014，70(2)：1216～1227.

[5] Shirgire N D，Thakur A K，Singh S.Comparative Study and Analysis between Helical Coil and Straight Tube Heat Exchanger[J]. International Journal of Engineering Research & Applications，2014，4(8)：130～133.

[6] Bibin P，Sujith V，Mohammed S K，et al.Comparison of Heat Transfer between a Helical and Straight Tube Heat Exchanger[J].International Journal of Engineering Research and Technology，2013，6(1)：33～40.

[7] 李亞飛，毛文睿，張燦燦，等.纏繞管換熱器的發展與應用[J].廣東化工，2014，41(1)：131～132.

[8] Neeraas B O，Fredheim A O，Aunan B.Experimental Data and Model for Heat Transfer, in Liquid Falling Film Flow on Shell-side，for Spiral-wound LNG Heat Exchanger[J].International Journal of Heat & Mass Transfer，2004，47(14/15/16)：3565～3572.

[9] Neeraas B O，Fredheim A O，Aunan B.Experimental Shell-side Heat Transfer and Pressure Drop in Gas Flow for Spiral-wound LNG Heat Exchanger[J]. International Journal of Heat & Mass Transfer，2004，47(2)：353～361.

[10] 尹接喜，李清海，施德強，等.纏繞管換熱器并管傳熱模型及實驗[J].清華大學學報(自然科學版)，2000，40(6)：73～75，79.

[11] 許倍強，盧恩明，唐立星，等.螺旋纏繞管陣列式換熱器[P].中國：CN104296564A，2015-01-21.

[12] 張明輝.一種新型螺旋纏繞管式換熱器[P].中國：CN202209899U，2012-05-02.

[13] Wang T T，Ding G L，Duan Z D，et al.A Distributed-Parameter Model for LNG Spiral Wound Heat Exchanger Based on Graph Theory[J].Applied Thermal Engineering，2015，81：102～113.

[14] 季鵬，李玉星，朱建魯，等.LNG繞管式換熱器殼側單相傳熱模型的優化[J].制冷學報，2015，36(2)：21～26.

[16] Ghorbani N，Taherian H，Gorji M，et al.Experimental Study of Mixed Convection Heat Transfer in Vertical Helically Coiled Tube Heat Exchangers[J]. Experimental Thermal & Fluid Science，2010，34(7)：900～905.

[17] Gupta P K，Kush P K，Tiwari A.Experimental Studies on Pressure Drop Characteristics of Cryogenic Cross-Counter Flow Coiled Finned Tube Heat Exchangers[J].Cryogenics，2010，50(4)：257～265.

[18] 張周衛，汪雅紅，張小衛.單股流螺旋纏繞管式換熱器設計計算方法[P].中國：CN102810128A，2012-12-05.

[19] 張周衛，汪雅紅，張小衛.雙股流螺旋纏繞管式換熱器設計計算方法[P].中國：CN102855396A，2013-01-02.

[20] 張周衛，薛佳幸，汪雅紅.雙股流低溫纏繞管式換熱器設計計算方法[J].低溫工程，2014，(6)：17～23，27.

[21] 陳永東，吳曉紅，修維紅，等.多股流纏繞管式換熱器管板的有限元分析[J].石油化工設備，2009，38(4)：23～27.

[22] 李健偉，曲萍，武艷芳，等.多股流繞管換熱器管板結構分析[J].壓力容器，2013，30(5)：18～22，52.

[23] Lu X，Zhang G P，Chen Y T，et al.Effect of Geometrical Parameters on Flow and Heat Transfer Performances in Multi-stream Spiral-wound Heat Exchangers[J]. Applied Thermal Engineering，2015，89：1104～1116.

[24] Zhang G，Lu X，Du X P，et al.Parametric Study on Flow and Heat Transfer Performance of Multi-Flow Spiral-wound Heat Exchanger[J].Chemical Engineering Transactions，2014，39：319～324.

[25] Zeng M，Zhang G P，Li Y，et al.Geometrical Parametric Analysis of Flow and Heat Transfer in the Shell Side of a Spiral-wound Heat Exchanger[J].Heat Transfer Engineering，2015，36(9)：790～805.

[26] 賈金才.幾何參數對繞管式換熱器傳熱特性影響的數值研究[J].流體機械，2011，39(8)：33～37，13.

[27] 魏江濤，曾桃.纏繞管換熱器殼程傳熱特性的數值研究[J].化學工程與裝備，2015，(2)：21～23.

[28] 季鵬，李玉星，王武昌，等.結構參數對繞管式換熱器傳熱特性的影響[J].油氣儲運，2015，34(8)：886～891.

[29] 馬飛.螺旋纏繞管換熱器傳熱數值模擬[D].鄭州：鄭州大學，2014.

[30] 張周衛，薛佳幸，汪雅紅，等.LNG系列纏繞管式換熱器的研究與開發[J].石油機械，2015，43(4)：118～123.

[31] 張周衛，汪雅紅，薛佳幸，等.低溫甲醇用系列纏繞管式換熱器的研究與開發[J].化工機械，2014，41(6)：705～711.

[32] 張周衛，李躍，汪雅紅，等.低溫液氮用系列纏繞管式換熱器的研究與開發[J].石油機械，2015，43(6)：117～122.

[33] 吳曉紅，陳永東，李志.LNG纏繞管水浴式氣化器防結冰分析及對策[J].設備管理與維修，2014，(5)：56～58.

[34] Truong T，Liu Y N，Kinard G E.Coil Wound Heat Exchanger[P]. European Patent：EP1367350 B2，2012-10-24.

[35] Weikl M C，Braun K，Weiss J.Coil-wound Heat Exchangers for Molten Salt Applications[J].Energy Procedia，2014，49：1054～1060.

[36] 李振勇，任世君，劉永強.纏繞管換熱器泄漏的原因及處理措施[J].化肥工業，2012，39(5)：49～51.

[37] 許倍強，雷偉，盧恩明，等.螺旋纏繞管式雙管板換熱器[P].中國：CN203464806U，2014-03-05.

ProgressinPerformanceandApplicationStudyfor
Wound-tubeHeatExchanger

XIAO Juan, JIAN Guan-ping, WANG Jia-rui, WANG Si-min

(SchoolofChemicalEngineeringandTechnology,Xi’anJiaotongUniversity,Xi’an710049,China)

The main structure of wound-tube heat exchanger was introduced; and experimental study and numerical simulation of wound-tube heat exchanger were expounded, and the emphases were given to the shell-side heat transfer models and design calculation of multi-stream coil-wound heat exchangers, including the geometrical parameters’ effects on heat transfer performance and the types of the heat exchange pipe. Basing on the research achievements and considering its engineering application, the direction of further research and development was proposed.

wound-tube heat exchanger, experimental study, numerical simulation, flowing heat transfer

*國家自然科學基金項目(51106199，81100707)，教育部博士點基金項目(20110201120052)，中央高?；究蒲袠I務費專項基金項目。

**肖 娟，女，1992年11月生，碩士研究生。陜西省西安市，710049。

TQ051.5

A

0254-6094(2016)04-0423-06

2015-12-18，

2016-07-15)

聲明

本刊現入編“萬方數據——數字化期刊群”和“中國核心期刊(遴選)數據庫”，作者著作權使用費與本刊稿酬一次性給付，不再另行發放。作者如不同意將文章入編，投稿時敬請說明。

*中海油總公司項目(CNOOC-KJ 125 ZDXM 25 JAB NFCY 2013-01)。