螺旋管式换热器

德国林德公司研发的设备

螺旋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。他的特点是结构紧凑、传热面积比直管大，温差应力小，但管内的清洗较困难，可用于较高粘度的流体加热或冷却。

介绍

螺旋管式换热器是在1895由德国林德公司研发出来，被用作一种空气流化设备投入化工生产。在此基础上，英国的汉普森研发出了蛇形管式的螺旋绕管式换热器。林德型螺旋绕管式换热器中的换热管是两根蛇形缠绕的同心管。在换热过程中，高压空气（热流体）走内管，而低压空气（冷流体）则从内外管之间的缝隙逆向通过。这种结构虽然保证流体是逆流换热，但由于两流程中存在较多的气流死区影响了换热效果，从而总的传热效率还是很低。

汉普森型螺旋绕管式换热器的制造是先将多根换热管制成盘管，然后将管盘叠落在中心圆管上。管盘中的换热管由内向外呈螺旋缠绕。在换热过程中，高压的热空气从上向下通过螺旋状的管程，而低压冷空气则由下往上通过壳程，两股气流在纵向是逆向流动，同时两股气流在盘管内横向交叉通过。这样的流道设计使换热器同时具有了较高的横向流传热系数和良好的逆流换热效果，因此这种换热器也被称为横向逆流换热器。螺旋绕管式换热器研发过程中，在换热管的形式上也推陈出新，已开发出了许多形式各异的新型螺旋绕管式换热器。如前苏联就开发设计出了变形翅片管螺旋绕管式冷凝蒸发器、非钎焊绕丝翅片管螺旋换热器以及按统计学均等原理制得的螺旋绕管式换热器等。我国的西安交通大学也推出了V形槽螺旋绕管式换热器。

结构

如图《螺旋管式换热器平面图》所示，它是把许多传热管卷成同心螺旋状，固定在盖板和壳体底板之间构成的。各传热管的两端分别与一根入口管和一根出口管连接。传热管无间隙地重叠在一起，其上、下端分别与盖板和壳底板固紧。传热管螺旋间距保持一定，为使壳侧流道保持一定，应在螺旋之间加隔板。

传热管可以用碳钢、铜、铜合金、不锈钢、镍、镍合金等材料制成。除光滑管外，还可以用低翅片管作传热管。壳体采用铸铁、青铜碳钢或不锈钢制造。传热管用焊接、钎焊等方法与入口管和出口管连接。

优缺点

螺旋管式换热器与管壳式换热器相比，具有如下优点：

(1)当流量小或者所需传热面积小的时候适用；

(2)因螺旋管中的滞流传热系数大于直管的，所以可用于高粘流体的加热或冷却；

(3)螺旋管式换热器中的流动可认为是逆流流动；

(4)因传热管呈蛇形盘管状，具有弹簧作用，所以没有热应力造成的破坏漏失；

(5)紧凑，安装容易。

缺点：

(1)当传热管与人口管和出口管连接处产生漏失时，修理困难；

(2)用机械方法清洗管内侧很困难(壳侧可以用水喷嘴喷射清洗，而管内侧必须用化学处理清洗)；

(3)当用不锈钢管作传热管时，如果传热管长度大于某一限度，则为了保持壳侧流道均匀，必须加隔板，从而使壳侧流体压力损失增大。

虽然螺旋管式换热器的造价比同样传热面积的管壳式换热器高，可是，因为传热系数大，容易维修，所以被广泛使用。

应用及发展趋势

螺旋绕管式换热器的应用及其发展趋势总的来说，螺旋绕管式换热器因其具有特殊的管形，独特的结构以及对制造选材范围广等优点，故被应用于下列情形：需实现不同管壳程介质之间传热的情形；以小温差传递大热量的情形；低温、高压的操作条件。除此之外，对那些工作环境严苛、腐蚀介质需采用特殊材质的大型工业装置以及对流道的顺畅度要求不高的场合，螺旋绕管式换热器也能发挥出理想的效用。从当前的应用效果来看，螺旋绕管式换热器不失为一种切实多用途的设备，在低温等多种工况下均可以体现出它的优势。虽然它的应用可回溯到上个世纪初期，但从目前来看，该换热器仍然是化工生产中一种重要的设备。螺旋绕管式换热器是一种能实现温度自动补偿的高效换热器，能在较高压力下运行，设备运行时单位热负荷小，并且设备运行后结垢较少。因此，这种换热器特别适用于低温气体分离和深冷环境，如空分设备、稀有气体分离装置、氢液化装置、低温甲醇洗系统、临氢系统。随着新的设计理念的提出和加工技术的成熟，螺旋绕管式换热器的应用日益广泛，可满足不同的工况需求：

(1)螺旋绕管式换热器的大型化

目前已经开发出一批大型的螺旋绕管式换热器，由于要满足两端封头小等结构形式上的工艺要求，制造换热管所需管长达数百米。如德州石化投用一台螺旋绕管式换热器，该换热器体型巨大，设计尺寸达到φ1600mm×20000mm，换热面积约为类似普通管壳式换热器换热面积的 2 倍，可达到 20002m 。随着生产规模的扩大，螺旋绕管式换热器等换热设备的规格也要求向着大型化发展，而普通列管式换热器却由于管长限制难以满足这种要求。

(2)螺旋绕管式换热器的高温化

目前大多应用于深冷装置中的螺旋绕管式换热器的换热效果都很好，但近年来该换热器也开始在高温场合发挥了效用。如合肥通用所等企业于2001年研发并最终投产的适用于高温场合的螺旋绕管式换热器, 该种设备的材质为耐高温的 Cr Mo 钢。这种设备 2002 年在镇海炼化正式投用，使用几年后，该台设备的质量仍有保证，换热性能依旧能达标。因此只要在换热介质适合情况下，螺旋绕管式换热器完全可以适用低温到高温个领域，这大大拓宽了应用范围，显示出了极佳的性能优势。

(3)螺旋绕管式换热器的高压化

目前螺旋绕管式换热器也被应用在某些高压的工况，如壳程压力高达 15.0MPa、管程压力低于 5.0MPa 的场合。因为螺旋绕管式换热器的结构紧凑，体现为管板小,壳程大，两端封头小。这一特点克服了普通高压换热器的弊病。一般来讲，在高压工况下运行的换热器的换热管需被制成 U 型，也可以将换热器的管板与壳体的连接方式做成浮头。当设备工作压强变大时,不仅要通过增加壳体的厚度来耐压，也要将设备连接处的法兰强度提高。随着装置的大型化发展的推进，高压换热器的规格也在变大，这对它的制造生产来说会变得异常复杂。如加氢裂化中应用的锁紧环式高压换热器，管程工作压力需达到 14.5MPa,壳程工作压力需达到 18.5MPa，若达到这种工况要求，则换热器的直径会达到 1.4-1.8m，管箱重量也会达到 45t。这样的规格加大了制造的难度，若改变换热器管束与管板连接形式为浮头，却又难以保证换热器的密封要求。在满足工作要求的情况下，使用螺旋绕管式换热器来代替这些高压换热器，它的制造会相对简单。若要增大换热面积则可增加管子长度，而连接法兰的厚度会因为两端的小管板变薄。目前对螺旋绕管式换热器的研究受到更多科研单位的重视，试图用它逐步取代炼油行业中加氢裂化装置和重整装置常用的一些高压换热器。

(4)螺旋绕管式换热器的多股化在螺旋绕管式换热器的应用中，可通过一台换热器工作便可达到一种壳程介质跟两到三种介质同时换热的目的。这种换热器不仅完成了多股流体间的换热,其换热效率和换热空间也得到大幅提升，这是其他换热器无法相比的。从当前发展来看,国内对于能用在多种介质换热场合的换热器的研究已日趋成熟,如巴陵石化的多股流换热器已投入应用。

(5)螺旋绕管式换热器的微型化

螺旋绕管式换热器在大型化设备中得到广泛应用的同时,也在一些普通的换热器难以达到工作要求的空间受限的场所发挥出作用,显示出向微型化发展的趋势。如在某军工厂生产中,螺旋绕管式换热器在有限的生产空间内也发挥出了极佳的换热效能。

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