缠绕管式换热器性能及应用研究进展.pdf

第43卷第4期
化工机械
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缠绕管式换热噐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)
摘要个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売例传热模型和设计计算研究、几何结构参数对
缠绕管式换热器流勣传热性能的影响和不同渙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应用现,指出了需要深入研究的方向和发展趋势。
关键词缠绕管式换热器实验研究数位模拟流动传热
中图分类号T051.5
文献标识码A
文章编号0254-6094(2016)04-042.3-06
缠绕管式换热器是一·种高效的紧湊式换热者将结合以上研究内容,对目前缠绕管式换热器
器,丁1895年由 Linden公可研发使用,具有单位的研究现状和应用发展进行综述。
体积换热面积大、传热系数高、允许操作压力高及
缠绕管式换热器的结构
可实现多介质同时换热等优点,泛运在低温
由于传统管売式换热器的换热管通常采川直
或深冷工段中,如液化天然气、低温卩嵉洗、空气管或U形管,考虑到如何在イ限的空间内使换热
分离及液氮洗等装置4。由于结构形式特殊,管増长、单位体积的换热面积増大,研发了一种新
在定稈度上对传热有强化作用,主要表现在型缠绕管技术,因此出现了缠绕管式换热器。缠
缠绕管式换热器结构紧湊、单位体积换热面积大绕管式换热器主要H売体、芯管和缠绕管束一大
和传热效率高;対于壳程,相邻缠绕层之间缠绕方部分组成,缠绕管東以芯管为中心,一般呈现多层
式相反,并且垫条等部件加大了壳程流体的扰,噤旋盘状绕制,相邻两层间设有垫条,缠绕方向相
易形成湍流;对于管程,流体在绾绕管内呈螺旋流反,为保证缠绕管均匀分布,使同层换热管的缠绕
动,会形成二次流,得管侧膜传热系数提高,从角相同,其相邻换热管横向管距和纵向管间距
而换热系数増人,传热效率增加?
保持不变。
近年米国内外采用实验研究和数值模拟的方
缠绕管的缠绕形式有两种,可利传统的单
法対缠绕管式换热器进行了·些研究⊥作。自根绕制(图1),也可采用并管,即炳根或多根换热
2004年 Neeraas B O等公开LNG缠绕管式换热器管通过焊接形成并管(图2),然后绕制在芯管上,
低温实验,研究壳侧传热模型以来,相继?缠绕管并管缠绕的特点是避免了壳程流动的死区,且通
式换热器的传热模型和斥降模型进行实验研究,常用于管程介质为两种或以上的多股流换热。关
同时还研究不同换热管形式下的缠绕管式换热于并管缠绕形式,尹接喜等基丁KaoS研究的适
器-?。随着计算机技术的不断发展,数值模拟于缠绕管式换热器并管焊接在一起的传热模
在缠绕管式换热器屮也得到了运用,人量学者分製,建立了一种适用于并管间存在一定距离的役
析了缠绕管式换热器儿何参数对流动传热的影热模,为研究管缠绕管式换热器的设计计算
响,为缠绕管式换热器的结构优化提供了信息,笔奠定了基础"?
*国家自然科学基金项月(51106199,81100707),教育部博十点基金项目(20110201120052),中央高校基本科研业
务费专基金项山
*肖娟,女,1992年11月生,硕士研究生。陕西省西安市,710049
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化工机械
2016年
对称设计,安装方使。SRCF.POI.公可也生产蝶旋
垫条、
纹管壳换热器,H于体积小,换热性能高,目前
芯部念属管
流体
已在制药化.、暖通制冷及食品机械等行业得到
役热管
运用。似该换热器难实现大化,H内部缠绕管
売体
间无支撑部件,易发生振动,导致换热器寿命缩
图1单管缠绕管東剖面结构
内
0000UU
图2并管缠绕管朿剖面结构
图3螺旋螺纹管壳式換热器
基于传统缠绕管式换热器的结构形式,随着
研的不断深入和设计制造技术的提高,出现了
缠绕管式换热器的研究方法主要有实验研究
些新型的缠绕管式换热器,对日前缠绕管式换和数值核拟焫种。研究内容主要集中于以下儿个
热器的结构进行了改进,似这些新型的缠绕管式方面:多股流缠绕管八换热器硏究,结构参数对缠
换热器的应用受实际程环境的影响较大。
绕管式换热器流动传热的影响,缠绕管式换热器
传统篳绕管式换热器是多层缠绕,为保证换的结构设计、计算方法以及传热强化等,笔者将从
热管固定,不在工作状态下出现振动现象,在结构两和研究方法出发,概述目前缠绕管式换热器的
设计中相邻层之间和同层换热管之间都有支撑部研究现状。
件。当完层流通截而积较大时,需川大州邻层阿2实验研究
和同层换热管阿的间隙,但是一且隙川大,一方
多股流缠绕管式换热器典型运用是作为人型
面会使完层扰动小、换热性能降低;另一方面四陆上.LNG的主低温换热器(MCHE),⊥NG绾绕管
加大了保持间隙的支撑结构,且強度、刚度要求史式换热器的换热主要是大然气的液化过程,温度
高,制造成本也増加。基于以上原因,许倍强等发高的天然气从换热器底端进入管稈,温度低的混
明创造了一种螺旋缠绕管阵列式换热器,该换热合冷剂从顶部进入売程,天然气由下至分別经
器主要由壳体和螺旋佇环柬肉部分组成,螺旋管过预冷段、深冷段和过冷段3部分,主要涉及到
环宋可有多层,每层由多根单螺旋管相互嵌插形LNG低温液化混合冷剂多股流换热和混合冷剂
成,该彆体结构使得壳程流道更分散,扰动效果更节流制冷技术H。为研究工NG缠绕管式换热
明显リ。
器壳程的热和压降模, Nceraas B0等利用搭
张明辉设计了·种螺旋螺纹管党式换热器建的实验装置,测量了LNG缠绕管式换热器売侧
(3)2,其特征是:每根换热管在売体内螺局部传热系数和摩擦压力,与已们文献给出的
旋盘管状,换热管呈环形层叠交义排布,换热管与半经验公式计算值对比,以对计算模进行优化,
管板采用強度焊固定连接,管壳层介质进出接管该实验在缠绕管式换热器的研究中很们影响力
尺寸相同,位置对称。该新型换热器主要优点表成为后来很多模拟研究中模型验证的有效支
现在:换热管采冂小管係的螺纹管,在壳体内呈现撑”。
的形式使换热管具竹一定的自行补偿能力,可减
文献「81以乙烷、丙烷、叩烷/乙烷、乙烷/丙烷
少热应力,减小对换热管的伤害;组件采加不锈钢和乙烷/正丁烷为混合冷剂,測得雷诺数在500
材料,耐腐似性能增强,但成本也?对较高;换热800范围内的171组壳侧液相传热数据,并采
管与管板之问密封性能好;流体进出凵接管釆用 Bays G S等的传热系数公式进行计算,测量值和计