缠绕管式热交换器

以下文章来源于化工过程装备 ，作者TibeTravel

     缠绕管式热交换器（Coil-Wound Heat Exchangers (CWHE)）是由一组或多组缠绕成螺旋状的管束置于壳程壳体的一种特殊管壳式换热器，统称为绕管换热器。下图为多管束（单通道/多通道）的绕管换热器管束。

相对于普通的管壳式换热器具有不可比拟的优势，绕管换热器的主要特点为：

• 适用的压力/温度范围广

• 可以同时处理多股（多种）流体

• 传热效率高，占地面积小

• 可应用于高压操作

• 高鲁棒性的机械设计满足开车/停车及热冲击

• 可用于较高粘度的流体加热/冷却

• 流场充分发展，不存在流动死区

• 几乎不受限制的材料范围，包括奥氏体不锈钢钢、铝合金、碳钢、镍及镍合金和铬钼钢等

• 易实现大型化 - 某知名制造商可提供单重达约260吨的绕管换热器，直径可达7500mm；换热面积可达20000平方米；设计压力可达200Barg。

    绕管换热器通常用作冷却器、加热器、液化器、汽化器和反应器等应用场合。国内 绕管换热器的典型应用领域为 化肥合成氨装置中的 低温甲醇洗（ Rectisol ）工段 ，和天然气液化工厂（LNG）的核心换热器等。除此以外，在其它领域应用也逐步渗透，例如，精馏系统，尾气余热回收系统， 中药提取系统，高温瞬时灭菌系统，CIP清洗系统等等。国内2021年由中海油和开封空分联合研制的国内首套LNG绕管换热器已经在LNG工厂一次性开车成功，并完成稳定和动态工况下72小时满负荷连续稳定运行，各项技术指标达到设计要求。

在国外，绕管换热器被广泛应用于大型空气分离装置（过冷器，液化器等）和大型天然气液化工厂（LNG）的核心换热器。

    国内也在积极拓展绕管换热器的应用。 应用于高温场合的缠绕管式换热器于2002年在镇海炼化投入使用 ，采用CrMo钢耐高温材料，经过几年运行，换热器的性能能够完全达到使用要求，而且质量也很可靠。

炼油厂连续重整装置的混合进料换热器通常采用全焊接板壳式或直管立式换热器，由于结构原因，一直存在传热效率低或易损坏的问题，使得装置操作费用高、影响长周期运行。由于绕管式换热器兼具板壳式换热器和管壳式换热器的优点， 在连续重整装置中采用的缠绕管式换热器 ，作为新型的混合进料换热器，在辽宁华锦集团50万吨/年连续重整装置进行了满负荷标定。装置开工投用以来，经受住了操作中 温度和压力波动的影响，该设备性能稳定。

中海油将绕管式换热器应用于东海某平台的湿天然气冷却工艺，冷却介质为海水，项目组创新性的提出钛合金换热管与不锈钢壳体相结合的设备形式，无需配套淡水循环装置，也能够满足换热器抗海水腐蚀的要求；钛钢复合结构还可以最大程度减少钛材的使用率，降低设备制造成本。

绕管换热器在大型化的同时，也有微型化的应用。在一些空间受限的地方,常规换热器达不到热交换的要求,而采用绕管换热器能在同样空间满足工艺要求， 在有限的空间实现换热 。

绕管换热器是在芯筒与外筒之间的空间内将传热管按螺旋线形状交替缠绕而成，相邻两层螺旋状传热管的螺旋方向相反，并采用一定形状的定距件使之保持一定的间距。根据管板的结构特征分为以下三类：

• 整体管板绕管换热器 

• 分区布管的整体管板绕管换热器

• 分体管板绕管换热器

下图为整体管板式立式绕管换热器：

下图为分区布管的整体管板绕管换热器：

下图为分体管板绕管换热器：

      绕管换热器的主要技术特点为：精准的换热管间距、合理的绕管层数及层间距、全自动化的焊接流程。

• 精准的换热管间距  在加工时需要完备的技术和丰富的经验，国内制造商通常会引进高精度/顶尖缠绕工艺的机械设备。

• 合理的绕管层数及层间距 在换热管束缠绕时，每层相对的缠绕半径都在发生着变化，盘绕角度又要保持一致。合理的绕管层数及层间距以满足工艺要求的换热性能。

• 全自动化的焊接流程 在绕管换热器的生产过程当中，采用全自动化的焊接，可以保证所有焊点尤其是换热管-管板焊接实现了标准统一，以保证最终产品的高安全性能。

  

    绕管换热器的设计分为传热设计（确定换热器的结构尺寸）和机械设计两部分。以下为某项目低温甲醇洗工段某绕管换热器的工艺设计要求：

绕管换热器的传热设计和机械设计通常由供货商根据采购方提供的工艺性能要求（Process Performance）进行。绕管换热器的布管型式主要有以下三种：

换热管的管间隙eT应根据工艺计算确定，一般取3~6mm；换热管的层间隙eL应根据工艺计算确定，一般取 2~4mm。