煤化工大型纏繞管式換熱器的設計與制造

陳施光

（中國昆侖工程有限公司，北京 100037）

纏繞管換熱器是一種高效緊湊的換熱器，主要由殼體、換熱管、中心筒、墊片和管板等組成，它不僅傳熱性能好，而且對變負荷的適應性強，以及運行特性可靠。因此，在我國煤炭深加工、煉油、天然氣等領域具有良好的應用前景。

1 纏繞管式換熱器的發展過程

1898 年，林德公司開發了世界上第一臺繞管式換熱器，由兩個同心圓管組成。內管內充高壓空氣，管內充低壓冷空氣。在結構不斷改進的基礎上，研制了蛇形管纏繞式換熱器。熱交換器由內向外纏繞在中心管上，形成纏繞管式熱交換器。

20 世紀70 年代，我國開始探索換熱器管的國有化；80年代，開封空氣集團開發了國內第一條盤繞式換熱器管，并開展了工業化研究。1996 年，寧夏化肥廠開始了高壓換熱器的發展。寧夏化肥廠甲醇洗工段4115E7，可生產一臺換熱器。20 世紀90 年代，開封空分集團開發了世界上第一臺多流換熱器，高壓纏繞管，已完成國家“95”科技攻關項目，實現了多流換熱器、高壓纏繞管的國產化。

2 纏繞管式換熱器結構構成

纏繞管換熱器是在芯管與外管間按螺旋形狀交替纏繞的一種換熱管。相鄰兩個螺旋換熱管的螺旋方向相反，采用一定形狀的定距件使之保持一定距離。纏繞管可采用單纏繞或兩組或兩組以上的焊管組合而成，管內可采用單通道纏繞式換熱器，管內可采用幾種不同的介質。通過各介質的傳熱管組裝在各自的管板上，形成多通道纏繞管式換熱器。此外，纏繞管換熱器還適用于多種介質同時處理、小溫差大傳熱、管內介質工作壓力高的場合，如用于制氧等低溫過程的換熱器。

3 纏繞管式換熱器優點

（1）結構緊湊，單位體積傳熱面積多，占地面積小，易于實現大規模。

（2）傳熱系數高。相鄰兩個換熱管的纏繞方向相反，改變了流體的流動狀態，在換熱管殼程中引起強烈的湍流。由于換熱器管內螺旋流的增強，管程傳熱膜系數也得到了提高。此外，墊片等部件不斷干擾殼程的流動，這些因素的綜合作用可以顯著提高纏繞管換熱器的傳熱性能。

（3）傳熱溫差小，傳熱效率高。當靠近殼程的流體流動接近逆流換熱時，換熱溫度差較小，端部的換熱溫度差僅為2℃。

（4）很好的補償。換熱管末端有一定長度的自由彎曲段。換熱器的熱膨脹可以部分自行補償，減少了換熱器與管板膨脹差引起的應力，減小了管板的設計厚度，降低了換熱器管與管板焊接接頭泄漏的可能性。

（5）不容易縮放。換熱管內的流動是螺旋形的，在通道的橫截面上形成二次流。同時，殼程流體在層間形成湍流，降低了流體與壁面之間的黏附力，不易結垢。

（6）耐高壓。因換熱管在管側直徑較小，能承受較高的壓力，工作壓力可達22MPa。

4 工藝計算

纏繞管式換熱器的工藝計算有3 個難點：（1）以介質的物理參數為輸入條件；（2）結構特性的計算；（3）傳熱和流體流動模型的建立。根據大量的物理性能試驗數據，從理論上計算了甲醇洗滌系統所涉及的液體介質和7 種氣體介質（氫、氮、氬、甲烷、一氧化碳、二氧化碳、硫化氫）的物理性能，考慮了高壓和低溫條件對材料物理性能的影響，擬合了相應的理論方程，為模型的建立提供了輸入保證。

科學地建立了纏繞管式換熱器殼程流動的特征參數；以相鄰換熱器管的相對位置為主要影響參數，采用通道積分法確定相鄰換熱器管間距，采用殼程計算方法在梅薩試驗的基礎上提出了流量區。

在建立殼程傳熱系數時，利用流體與直管束交叉流動的傳熱膜系數模型，建立由線圈層和管束組成的管束外側流體流動的基本模型。該模型主要考慮了由線圈層組成的管束特征數和線圈繞制角度對實際流量的影響，構成了線圈的傾斜修正系數。同時，由于換熱管的布置(非管板布置)在同一直線和交錯之間，使流動通道比較復雜。采用管排修正系數進行數值積分，確定影響殼程傳熱的另一個因素。在上述模型的前提下，通過對實驗數據的修正，得到了較為滿意的理論公式。

在傳熱系數的確定中，利用管內流體流動的傳熱膜系數方程，選取管束的平均直徑作為纏繞特性，計算比較各層的傳熱膜系數。

在兩相流計算中，將管內沸騰和池內沸騰結合起來，設計一種基于Dengler 的兩相強制對流模型。

5 制造工藝

圖1 繞管式換熱器管束圖

（1）管束纏繞。在纏繞式換熱器的制造中，最重要的是管束的纏繞(圖1),繞管有較高的要求：①間距均勻，即繞管后各管的間隙應控制在一定范圍內，不應過大或過小，否則會引起甲醇偏差，從而影響傳熱效果。②端管的彎曲應自然過渡，管子在通過管板前必須經過多次彎曲。在彎曲過程中，必須光滑自然，以免造成更大的內應力或影響管子的外觀。③異形帶起著定位管道的作用，必須均勻分布，并保持螺旋角與管道相同，在接觸點處過渡平滑。④由于供管為盤形，在進入卷位前需設置矯直機構。除矯直外，還可起到預緊作用，從而防止繞管時出現回彈現象。⑤管內各階段的管式換熱器均合理導向相應的板面積。⑥繞組中最常見的問題是“啞鈴”型梁，其平均尺寸大而小。因此，在繞制過程中，必須防止管兩端的外球進入芯部。

（2）噴嘴的焊接和膨脹。為了提高焊接的可靠性，采用了雙層焊、一層熔化焊和二層填充絲焊。焊接要求如下：①盡量避免焊接接頭縱縫；②為控制電流，焊接接頭必須穿透，但不能穿透管壁；③熔化焊接后，進行著色，以確認涂層合格。

（3）脹接。脹接也是接頭密封的關鍵步驟，因膨脹管是一種有接縫的管道，因此選擇膨脹壓力非常重要，過度膨脹易引起焊接裂紋。在確定膨脹數據前，使用模擬樣 品 在80、100 和1200MPa 的 不 同壓力下對膨脹節進行試驗(所有膨脹壓力拔出試驗均合格)，然后將管子從中間分開，如圖2 所示。從圖2 可知，當膨脹壓力為120MPa 時，管子（頂管）與基體緊密相連。其余兩管分別膨脹到80MPa 和100MPa的壓力，管與管板和顯示空間不對齊。120MPa 是一種理想的膨脹壓力，壓力低，不易損壞管道。

圖2 管子管板脹接連接接頭試樣

（4）壓力試驗。每管的設計壓力應在纏繞前后測試兩次,管束制造完成后，應對整個芯進行再次試驗。芯壓試驗前進行水壓試驗，用氨泄漏檢查焊縫強度和密封性。

（5）穿芯。由于換熱器的重量是纏繞的，管子的高壓和外殼的低壓，在芯體通過時必須采取措施。首先，有必要防止外殼變形，其次，在芯體穿孔時，在芯體前端增加一個小裝置支架，以減少阻力，因為它不會在熱交換器中滑動，對鉆芯的阻力為減少。注意生產設備：①不銹鋼是非常撤回，必須考慮到的總長度。②管的兩端有4 塊板，它們的位置更為嚴格，需要通過防止變形來焊接。

6 結語

綜上所述，煤化工等項目中的大型纏繞管換熱器屬于核心型設備，可實現傳熱過程中的能量轉換，滿足運行過程中變負荷的要求，實現設備的安全運行。因此，大型纏繞管換熱器在煉油、天然氣等加工領域逐漸受到青睞，并將有更大的發展前景。