肖 娟 简冠平 王家瑞 王斯民

(西安交通大学化学工程与技术学院)

缠绕管式换热器性能及应用研究进展*

肖 娟**简冠平 王家瑞 王斯民

(西安交通大学化学工程与技术学院)

介绍了缠绕管式换热器的主要结构形式，从实验研究和数值模拟两方面综述了缠绕管式换热器的研究现状。重点阐述了多股流缠绕管式换热器的壳侧传热模型和设计计算研究、几何结构参数对缠绕管式换热器流动传热性能的影响和不同换热管形式的缠绕管式换热器研究。基于目前取得的研究成果，结合缠绕管式换热器的工程应用现状，指出了需要深入研究的方向和发展趋势。

缠绕管式换热器 实验研究 数值模拟 流动传热

缠绕管式换热器是一种高效的紧凑式换热器，于1895年由Linden公司研发使用，具有单位体积换热面积大、传热系数高、允许操作压力高及可实现多介质同时换热等优点，广泛运用在低温或深冷工段中，如液化天然气、低温甲醇洗、空气分离及液氮洗等装置[1～4]。由于结构形式特殊，在一定程度上对其传热有强化作用，主要表现在缠绕管式换热器结构紧凑、单位体积换热面积大和传热效率高；对于壳程，相邻缠绕层之间缠绕方式相反，并且垫条等部件加大了壳程流体的扰动，易形成湍流；对于管程，流体在缠绕管内呈螺旋流动，会形成二次流，使得管侧膜传热系数提高，从而换热系数增大，传热效率增加[5～7]。

近年来国内外采用实验研究和数值模拟的方法对缠绕管式换热器进行了一些研究工作。自2004年Neeraas B O等公开LNG缠绕管式换热器低温实验，研究壳侧传热模型以来，相继对缠绕管式换热器的传热模型和压降模型进行实验研究，同时还研究不同换热管形式下的缠绕管式换热器[8，9]。随着计算机技术的不断发展，数值模拟在缠绕管式换热器中也得到了运用，大量学者分析了缠绕管式换热器几何参数对流动传热的影响，为缠绕管式换热器的结构优化提供了信息，笔者将结合以上研究内容，对目前缠绕管式换热器的研究现状和应用发展进行综述。

1 缠绕管式换热器的结构

由于传统管壳式换热器的换热管通常采用直管或U形管，考虑到如何在有限的空间内使换热管增长、单位体积的换热面积增大，研发了一种新型缠绕管技术，因此出现了缠绕管式换热器。缠绕管式换热器主要由壳体、芯管和缠绕管束三大部分组成，缠绕管束以芯管为中心，一般呈现多层螺旋盘状绕制，相邻两层间设有垫条，缠绕方向相反，为保证缠绕管均匀分布，使同层换热管的缠绕角相同，其相邻换热管横向管间距和纵向管间距保持不变。

缠绕管的缠绕形式有两种，可利用传统的单根绕制(图1)，也可采用并管，即两根或多根换热管通过焊接形成并管(图2)，然后绕制在芯管上，并管缠绕的特点是避免了壳程流动的死区，且通常用于管程介质为两种或以上的多股流换热。关于并管缠绕形式，尹接喜等基于Kao S研究的适用于缠绕管式换热器并管焊接在一起的传热模型，建立了一种适用于并管间存在一定距离的传热模型，为研究并管缠绕管式换热器的设计计算奠定了基础[10]。

图1 单管缠绕管束剖面结构

图2 并管缠绕管束剖面结构

基于传统缠绕管式换热器的结构形式，随着研究的不断深入和设计制造技术的提高，出现了一些新型的缠绕管式换热器，对目前缠绕管式换热器的结构进行了改进，但这些新型的缠绕管式换热器的应用受实际工程环境的影响较大。

传统缠绕管式换热器是多层缠绕，为保证换热管固定，不在工作状态下出现振动现象，在结构设计中相邻层之间和同层换热管之间都有支撑部件。当壳层流通截面积较大时，需加大相邻层间和同层换热管间的间隙，但是一旦间隙加大，一方面会使壳层扰动减小、换热性能降低；另一方面因加大了保持间隙的支撑结构，且强度、刚度要求更高，制造成本也增加。基于以上原因，许倍强等发明创造了一种螺旋缠绕管阵列式换热器，该换热器主要由壳体和螺旋管环束两部分组成，螺旋管环束可有多层，每层由多根单螺旋管相互嵌插形成，该整体结构使得壳程流道更分散，扰动效果更明显[11]。

张明辉设计了一种螺旋螺纹管壳式换热器(图3)[12]，其特征是：每根换热管在壳体内呈螺旋盘管状，换热管呈环形层叠交叉排布，换热管与管板采用强度焊固定连接，管壳层介质进出接管尺寸相同，位置对称。该新型换热器主要优点表现在：换热管采用小管径的螺纹管，在壳体内呈现的形式使换热管具有一定的自行补偿能力，可减少热应力，减小对换热管的伤害；组件采用不锈钢材料，耐腐蚀性能增强，但成本也相对较高；换热管与管板之间密封性能好；流体进出口接管采用对称设计，安装方便。SECEPOL公司也生产螺旋螺纹管壳换热器，由于体积小，换热性能高，目前已在制药化工、暖通制冷及食品机械等行业得到运用。但该换热器难实现大型化，且内部缠绕管间无支撑部件，易发生振动，导致换热器寿命缩短。

图3 螺旋螺纹管壳式换热器

缠绕管式换热器的研究方法主要有实验研究和数值模拟两种。研究内容主要集中于以下几个方面：多股流缠绕管式换热器研究，结构参数对缠绕管式换热器流动传热的影响，缠绕管式换热器的结构设计、计算方法以及传热强化等，笔者将从两种研究方法出发，概述目前缠绕管式换热器的研究现状。

2 实验研究

多股流缠绕管式换热器典型运用是作为大型陆上LNG的主低温换热器(MCHE)，LNG缠绕管式换热器的换热主要是天然气的液化过程，温度高的天然气从换热器底端进入管程，温度低的混合冷剂从顶部进入壳程，天然气由下至上分别经过预冷段、深冷段和过冷段3部分，主要涉及到LNG低温液化混合冷剂多股流换热和混合冷剂节流制冷技术[13，14]。为研究LNG缠绕管式换热器壳程的传热和压降模型，Neeraas B O等利用搭建的实验装置，测量了LNG缠绕管式换热器壳侧局部传热系数和摩擦压力，并与已有文献给出的半经验公式计算值对比，以对计算模型进行优化，该实验在缠绕管式换热器的研究中很有影响力，成为后来很多模拟研究中模型验证的有效支撑[8，9]。

在研究缠绕管式换热器几何结构参数对流动和传热的影响上，Ghorbani N等通过实验的方法研究了缠绕管式换热器在混合对流条件下，螺旋间距、管径等对壳侧传热系数的影响，研究表明管径对壳侧传热系数的影响可忽略，壳侧对流传热系数随着螺旋间距的增加而增大，缠绕表面积的增加使得表面对流传热系数降低[16]。

缠绕管式换热器的强化传热可通过改进换热管形式得到提升，Gupta P K等研究了内部具有一定粗糙度的翅片缠绕管式换热器在管侧雷诺数为3 000～30 000，壳侧雷诺数为25～155下的压降特性[17]。实验结果表明，以往用于光管的经验关联式无法适用于翅片缠绕管式换热器管侧的压降计算，并且表面粗糙度对换热性能的影响随着di/Dm的增加而愈加明显，文章根据实验数据还提出了新的计算管侧和壳侧摩擦因子的关联式。

通过实验方法能有效测定换热器的性能，但是实验研究对装置的条件要求较高，成本较大，因此一般可行性的实验对象为小型的缠绕管式换热器，对工程运用的大型缠绕管式换热器只能基于此进行定性分析，适用性还有待考察，因此实验研究方法具有局限性。

3 数值模拟

计算流体动力学(CFD)是随着计算机技术飞速发展而出现的一种独立于理论分析和实验研究之外的第3种研究流体流动和换热的研究方法，具有成本低、能模拟复杂或较理想状态下的过程的特点。对换热器的计算流体动力学模拟，可获得其内部的温度场和流场特点，还能获得其传热系数、压降等数据，一次有效的模拟研究能为换热器的设计提供一定的理论支持。

对于多股流缠绕管式换热器的设计计算研究，张周卫等在这方面做了许多工作，并申请了多项专利[18，19]。就双股流缠绕管式换热器而言，张周卫等提出了一种适用于逆流换热的双股流缠绕管式换热器的设计计算方法，利用数值模拟的方法，以一定的边界条件，对管束内温度场、压力场、流速及传热系数等进行了分析，并以管内介质为甲醇冷却变换气为例，进行了实例计算，同时还分析了以管径为自变量的优化设计[20]。除了多股流缠绕管式换热器的设计计算研究，由于可采用小管板结构，有学者也致力于管板的有限元应力分析模拟，对管板结构进行优化[21，22]。

目前众多文献中介绍了利用数值模拟的方法研究缠绕管式换热器几何参数对壳程流动传热的影响。对于多股流缠绕管式换热器，Lu X等在文献[23]中指出，单位长度的管壳侧努塞尔数和压力降随着缠绕层数，芯管直径和绕管外径的增加而增加，但随着垫条厚度和第1层管间距的增加而降低[23～25]。文献[24]进一步说明主要几何结构参数适宜的取值范围，垫条厚度一般是2～3mm，第1层管间距的推荐值是使得缠绕角在5～15°范围内，该研究模型有文献[8]的壳侧传热模型作为实验验证，更具可靠性。贾金才模拟结果表明，随着绕管外径和径向间距比的增加，表面对流换热系数均降低；随着轴向间距比的增加，对流换热系数增加，但是影响不是特别显著，而缠绕角度和同一层不同的缠绕圈数对传热特性影响较小[26]。魏江涛和曾桃利用不同的模型也得出了类似的结论[27]，但文献[26，27]所建模型均未考虑垫条对流动传热的影响，同时文献[26]由于主要研究壳程的流动和传热，在建模的时候将换热管设为实心管，恒壁温。季鹏等的研究也表明，小芯管直径，小垫条厚度对流动传热有利[28]。

马飞在研究螺旋缠绕圆管换热器的壳侧流动和传热的数值模拟基础上，对比研究了两种新型换热管形式的缠绕管式换热器(螺旋缠绕椭圆管换热器和螺旋缠绕三叶管换热器)，并建立了基于截面周长不变原则的截面参数不同的3种椭圆管和3种三叶管的壳侧流动传热几何模型，分析了雷诺数在2 000～10 000范围内，椭圆管、三叶管和圆管的壳侧流动传热性能，发现三叶管的综合性能最好[29]。基于壳侧研究的相同几何模型，还对螺旋缠绕椭圆管和螺旋缠绕三叶管的管内流动与传热进行了数值模拟研究。

4 缠绕管式换热器的应用及发展趋势

4.1 缠绕管式换热器应用

缠绕管式换热器由于结构紧凑、换热效率高、冷热端温差小、管内操作压力高及可靠性高等优点，在石油化工、食品机械、暖通空调及医药等行业均具有广泛应用，其适用温度、压力范围非常广。

在低温装置中，如低温甲醇洗、低温液氮工艺及LNG等，张周卫等研发了系列缠绕管式换热器，并对其结构特征和设计原理进行了说明，以便为低温用缠绕管式换热器的设计计算提供参考[30～32]。在天然气汽化装置中采用缠绕管水浴式汽化器可有效防止结冰[33]。Truong T等发明了一种用于LNG的缠绕管式换热器系统，根据给定的结构尺寸可使传热效率和生产效率更高[34]。

缠绕管式换热器除了应用在深冷、低温装置中，近年来也逐渐由低温领域向中高温区域发展。在熔盐应用中，展现了它在换热面积、压力降等方面的优势[35]。在临氢系统中，如加氢裂化装置，连续重整装置上也逐渐代替以前的传统换热器，同时采用CrMo作耐高温材料，在化肥加氢装置上出现了首台15CrMo缠绕管式换热器进行高温换热。

缠绕管式换热器其缠绕管一般采用铜、铝或不锈钢等制造，其应力强度高，由于缠绕管束的补偿性能良好，因此可承受较大的操作压力，目前国内外制造的缠绕管式换热器可实现的最大操作压力为22MPa。高压缠绕管式换热器的典型代表是开封空分集团研发的运用于空气分离的高压缠绕管式换热器。

运用于石油化工行业的缠绕管式换热器较为大型，而在制药、暖通及食品行业运用多为小型化的缠绕管式换热器，如SECEPOL公司的JAD系列螺旋螺纹管式换热器，被称为欧洲的“蒸汽王子”。

4.2 缠绕管式换热器发展趋势

缠绕管式换热器由于结构特殊，具有优越的传热性能，在工业生产中具有广阔的应用前景，因此为满足多元化的工艺场合，需要加大对缠绕管式换热器结构性能的完善，基于高质量的机械加工技术，除了实现缠绕管式换热器的高压化、高温化、大型化及多股流化等趋势，也可以使缠绕管式换热器在以下几个方面有更大的突破。

4.2.1防结垢

随着缠绕管式换热器运用范围的扩大，也逐渐出现在LNG、柴油加氢及芳烃等装置中，但是在这些领域的运用中，由于介质粘性更大，更容易产生污垢，而结垢会使污垢热阻增加，传热系数降低，直接影响传热性能，使得传热效率下降，同时也会导致流动阻力增加，使得耗能增加，并且由于缠绕管式换热器是紧凑式换热器的一种，很难进行清洗，因此会使设备维护更加困难。由此，随着工业加工技术的发展，有必要使缠绕管式换热器防结垢的特点优化，以满足更广泛的工程应用需求。

4.2.2防泄漏

缠绕管式换热器的泄漏区域主要可能出现在缠绕管与管板连接处和缠绕管束的损坏[36]。目前许倍强等研究发明了一种双管板缠绕管式换热器，该换热器利用双管板能形成一段空区，有效防止管壳程介质混合和避免因少量泄漏而产生的危害[37]。对于换热管损坏产生的泄漏，可以通过改善缠绕管材料或改进缠绕技术来避免。

4.2.3防振动

换热器的振动破坏是换热器事故中一个重要因素，一般会导致管子碰撞损伤、疲劳破坏及声振动等。在换热器内，由于流体流动会产生动态力作用在管子上，使得管子振动，此即为流体的诱导振动。在缠绕管式换热器内，虽然缠绕管束具有一定的弹性段，对振动有一定的影响，但是对管束的振动分析和防振措施依旧是一个重要的研究方向。

4.2.4节能

能量回收是一种高效利用能源的方法，在多股物流的换热系统中，将物流进行合理地匹配，充分利用热物流去加热冷物流，提高换热过程中的热回收率，减少公用工程加热负荷和公用工程冷却负荷，在换热网络合成中应用最为广泛的方法是夹点技术，因此对于多股流缠绕管式换热器，可以考虑利用夹点技术进行换热网络优化以达到节能的目的。

5 结束语

缠绕管式换热器基于自身独特的结构形式，在传热性能、抗高压及低温应用等方面，相比普通的管壳式换热器具有一定的优势，并且随着生产需求的加大，机械加工技术的提高，不断涌现一些结构更完善或更新颖的缠绕管式换热器。目前缠绕管式换热器的研究现状，主要集中于缠绕管式换热器的设计计算和结构对流动传热性能的影响，基于以上可对缠绕管式换热器的结构进行优化设计，以成为更高效节能的换热设备。尽管如此，目前国内外对缠绕管式换热器的研究相比于普通管壳式换热器依旧不够成熟，但这也正是学者们需要积极努力的方向。

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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

*国家自然科学基金项目(51106199，81100707)，教育部博士点基金项目(20110201120052)，中央高校基本科研业务费专项基金项目。

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

TQ051.5

A

0254-6094(2016)04-0423-06

2015-12-18，

2016-07-15)

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*中海油总公司项目(CNOOC-KJ 125 ZDXM 25 JAB NFCY 2013-01)。