紧凑绕管式换热器的优化设计
螺旋缠绕管式换热器的设计要点
工艺与设备化 工 设 计 通 讯Technology and EquipmentChemical Engineering Design Communications·87·第44卷第7期2018年7月1 螺旋缠绕管式换热器应用分析从装置应用实际情况来说，在煤化工和其他领域中，以不同的结构形式，被广泛的应用。
以LNG 系列螺旋缠绕管式换热器为例，其类型主要如下：①一级制冷四股流缠绕管式换热器；②二级制冷三股流缠绕管式换热器；③三级制冷两股流缠绕管式换热器等。
此类换热器的应用涉及到多个过程，比如低温混合制冷剂、多股流回热换热过程等，设计计算复杂，缺少通用技术标准以及换热工艺设计计算法等，受到工艺流程或者物性参数等因素的影响，因此难以标准化。
2 螺旋缠绕管式换热器的基本结构常规的单股流螺旋缠绕管的基本结构如图1所示，它主要由1-管程壳体；2-管板；3-壳程筒体；4-螺旋管束组成。
它的螺旋管束是由数根外径φ8mm~φ12mm 的换热管根据一定角度正向反向缠绕而成。
1234图1 螺旋缠绕管换热器的基本结构3 螺旋缠绕管式换热器设计要点3.1 做好力学分析在机械设计中，为保证其使用性能，必须要做好力学分析，包括刚性力学分析和弹性力学分析，进而优化设计。
在进行分析的过程中，主要采用的计算方法包括雷诺数计算法以及普朗特数计算等。
基于力学原理，采用对数平均值法以及体积分率法等进行力学分析。
采用单元模型流场数值模拟分析法可确定其在物理参数，简化计算过程获得管束模型以及结构参数。
采用迭代计算法，结合运用数值模拟计算结果，利用计算机进行设计结果优化，进而保证计算的准确性。
3.2 立足于实际在进行螺旋缠绕管式换热器设计时，要考虑到后期加工制作和使用需求。
多数螺旋缠绕管式换热器的换热管和管板的连接采用强度焊的方法。
因为焊接的质量直接影响着换热器使用性能和寿命，所以在设计和制造环节，需要做好壳程部分的优化设计，通过压力试验或者渗漏试验等，检查接头的致密性以及强度。
应用遗传算法优化设计紧凑式换热器
应用遗传算法优化设计紧凑式换热器
崔永正;任禾盛;郝桂梅
【期刊名称】《动力工程学报》
【年(卷),期】2008(028)005
【摘要】应用遗传算法对锯齿型板翅式换热器的结构进行了优化设计.以预定的传热量、两侧压降、体积等设计要求为适应度函数,通过对设计变量构成的种群个体进行适应度评估以及选择、交叉、变异等遗传操作,得到符合设计约束的换热器最优结构参数(如翅高、翅长、间距,以及长、宽、高等).此外,对10次计算得到的设计参数进行了统计分析.结果表明:相关结构参数的不确定度很小,应用遗传算法可以快速方便地对紧凑式换热器的几何结构参数作出符合设计要求的选择.
【总页数】5页(P739-743)
【作者】崔永正;任禾盛;郝桂梅
【作者单位】上海理工大学,动力工程学院,上海,200093;上海理工大学,动力工程学院,上海,200093;上海理工大学,动力工程学院,上海,200093
【正文语种】中文
【中图分类】TK124
【相关文献】
1.基于遗传算法的管壳式换热器的优化设计 [J], 沈杨
2.紧凑型板壳式换热器导流结构优化设计 [J], 刘敏珊;孙爱芳;董其伍
3.应用遗传算法优化设计管壳式换热器 [J], 蒲星星;刘尚明;蒋洪德
4.应用遗传算法优化设计200 MW多头螺旋管式换热器 [J], 周云龙;董利利;李书芳
5.应用遗传算法优化设计板翅式换热器 [J], 张丽娜;杨春信;王安良
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绕管式换热器的布置及管道设计方案研究
绕管式换热器的布置及管道设计方案研究摘要：换热器设备在化工装置当中的应用是十分广泛的。
在整个工程当中，换热器的数量以及投入的资金都占据着非常大的比例。
并且在整个工程当中也占有着一个十分重要的地位。
绕管式换热器能够适应非常大的温度区间，并且是一种高效紧凑的换热器，能够承受住热量的冲击，并且这种换热器的自身也带有消除热应力的能力。
因此绕管式换热器具有节能环保的特点，近些年来绕管式换热器应用的越来越广泛。
关键词：绕管式；换热器，管道设计换热器可以在工业生产当中完成物料之间热量的传递。
换热器是一种通用的工艺设备，在许多领域当中都广泛应用，比方说化工，炼油和原子能等等。
换热器在化工以及炼油等工业产业当中的应用是非常重要的。
换热器在化工厂的建设投资比重当中，可以占到总投资的10%到20%。
在石油炼厂当中的占投资比例更是高，可以占到全部工艺设备投资的35%到40%。
绕管式换热器属于间壁式管式换热器。
这是从传热原理上进行区分的。
因为管式换热器具有耐高压的性能，而绕管式换热器也具有同样的性能。
不仅如此，绕管式换热器的结构比较紧凑，传热效率也比较高。
绕管式换热器的传热管是非常长的，可以达到50到60米，甚至有一些更长的可以达到150到160米。
这种换热器特别适合应用在低温下的气体分离装置当中，比方说空气分离装置，稀有气体分离装置等等。
一、绕管式换热器的特点和应用对于一些普通的换热器来说，绕管式换热器是有其独特的优势的，绕管式换热器的构成比较特殊。
传热器是按照螺旋的形式交替缠绕在芯筒和外筒之间的空间内的。
绕管式换热器是不存在流动死区的，并且这种换热器的应用范围比较广。
它能适用的温度区间也比较大。
面对热冲击的能力也是非常强的，可以利用自身的特点来消除热应力，紧凑度也比较高。
绕管式换热器和普通换热器还有一个最大的特点。
就是绕管式换热器可以设置多股管，这样一台换热器就可以满足多股流体的同时换热。
正是由于绕管式换热器的这样的特点，现在绕管式换热器在化工装置当中应用的越来越广泛，并且占有了非常重要的位置。
缠绕管式换热器介绍
降低成本
在满足性能要求的前提下，通过优化设计降 低制造成本和维护成本。
提高可靠性
通过优化设计，提高换热器的可靠性和使用 寿命。
计算流体动力学分析
流体动力学分析
利用计算流体动力学（CFD）技术，对流体的流动状态、传热过程和 流动阻力等进行模拟和分析。
缠绕管式换热器介绍
contents
目录
• 缠绕管式换热器概述 • 缠绕管式换热器的结构与材料 • 缠绕管式换热器的性能特点 • 缠绕管式换热器的设计与优化 • 缠绕管式换热器的安装与维护 • 缠绕管式换热器的发展趋势与展望
01
缠绕管式换热器概述
定义与特点
高效换热
由于管子采用螺旋缠绕方式，使 得冷热流体在管内外流动时能够 形成较大的温差，从而提高换热 效率。
优化流道设计
根据CFD分析结果，优化流道设计，改善流体流动状态，提高换热效 率。
性能预测
通过CFD分析，预测换热器的性能，为后续优化提供参考。
实验验证
将CFD分析结果与实验数据进行对比，验证模型的准确性和可靠性。
05
缠绕管式换热器的安装 与维护
安装注意事项
安装前应检查设备是 否完好无损，确保所 有部件符合要求。
定义
缠绕管式换热器是一种通过将管 子螺旋缠绕在芯棒上，再通过外 部固定圈进行固定的换热设备。
紧凑结构
由于管子紧密缠绕，使得换热器 体积较小，便于安装和维护。
耐高压
由于结构紧凑和管子较细，使得 换热器能够承受较高的压力。
适应性强
适用于各种不同的流体和温度条 件，可根据实际需求进行定制。
工作原理
01
冷热流体在管内外流动，通过 管壁进行热量交换。
管式换热器的优化设计
30613 305618 49613 1161912 1739317 17210
26717 202919 39712 347213 779312 16210
35516 272217 57111 489719 3284416 11910
Ds (m) 面积余量 ( %)
0160
0146
39
0151
0138
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pipe space and the pipe outer diameter , as optimization criterion. By taking the early investment and annual running charge as objective function for optimum seeking , and by means of computers , complicated calculation is avoided. The values obtained from the optimum calculation are compared with that from the conventional calculation , and the result shows that , by means of the optimum design , under the given restrains , the pipe heat exchanger can operate well with a reduction of over 25 % heat transfer area.
绕管式换热器的布置及管道设计
２．１ 吊装孔的设置
绕管式换热器在框架内布置时，利用设备支耳支撑于框架 内结构梁，固在布 置 绕 管 式 换 热 器 的 时 候，需 要 考 虑 吊 装 孔 的 设置，在确定吊装孔大小的时候不但要考虑绕管式换热器筒体 的直径，更需要考 虑 侧 面 支 耳 及 管 口 的 伸 出 长 度 尺 寸，保 证 绕 管式换热器的可施工性，能够顺利完成设备吊装。
在确定支撑高度 后，再 根 据 绕 管 式 换 热 器 管 口 所 在 标 高， 预留足够的配管 空 间，确 定 其 他 框 架 平 台 的 标 高，使 其 管 口 及 管道与框架平台不碰撞。
以某酸性气体脱除装置原料气冷却器（图 ３）的布置举例，
收稿日期：２０１９－０５－０６ 作者简介：庞鑫健，工程师，２００９年毕业于江苏工业学院，就业于中石化宁波工程有限公司，从事化工装置布置及管道设计工 作，重点在于煤化工及深冷领域的工程设计。
绕管式换热器常为多管口设置，且相应管道的配管还应尽 量做到分流均布，以 便 于 多 股 换 热 更 加 均 匀，固 其 配 管 所 需 要 的空间相对比较大，所以在布置的时候就要一并考虑配管空间 的预留。常见配管方式主要分为对中均布（图 ５）及逐级分流 （图 ６），其主要原则是管道设计过程中，使得多管口的分支管线 尽量满足走向相 似 或 阻 力 降 相 当，以 达 到 分 流 均 布 的 目 的，使 得换热效果更加均匀。
其次需要考虑绕管式换热器换热管检修的要求，绕管式换 热器在立式布置于框架内的时候，其框架上部不宜再布置其他 设备，给绕管式换热器顶部预留吊装空间，见图 ２。
图 １ 常见绕管式换热器形式
Байду номын сангаас
图 ２ 绕管式换热器的可施工性
２．２ 支撑层的布置
缠绕管式换热器介绍
冷热流体通过 缠绕管内壁进
行热交换
热量通过管壁 和缠绕的波纹
板传递
冷热流体在管 间流动，实现
热量交换
热量通过管壁 和波纹板传递 给管外的冷却 水或加热介质
高效传热：缠绕管式换 热器采用独特的管内管 外缠绕结构，有效增加 换热面积，提高传热效 率。
耐高温高压：材料选 择优良，能够承受高 温高压的工况，保证 设备长期稳定运行。
解决方案：检查密封件和连接处，及时修复泄漏问题。
解决方案：检查换热器内部是否有堵塞或结垢，及时清理并进行调整。
汇报人：XX
核能发电：用于冷却反应堆，提高发电效率 火电发电：用于冷却锅炉，提高发电效率 风电发电：用于冷却涡轮机，提高发电效率 太阳能发电：用于冷却吸热器，提高发电效率
制药行业：用于 药品生产和加工 过程中的加热、 冷却和蒸发等工 艺流程，提高生 产效率和产品质 量。
化工行业：用于 各种化学反应过 程中的热交换， 如聚合、裂解、 蒸馏等，同时能 够承受各种腐蚀 性介质。
利用效率
海水淡化：用 于大规模海水 淡化工厂的换
热
PART FOUR
传热效率：选择传 热效率高的换热器， 以满足工艺要求。
耐腐蚀性：根据工 艺介质的腐蚀性选 择耐腐蚀的材料。
机械强度：考虑换 热器的机械强度， 以确保其稳定性和 安全性。
经济性：在满足工 艺要求的前提下， 选择价格合理的换 热器。
XX,a click to unlimited possibilities
汇报人：XX
CONTENTS
PART ONE
外部壳体：提供稳定的支撑和 保护，防止外部环境对换热器 的干扰
缠绕管：由多个薄壁金属管 绕成，用于热量交换
紧凑热交换器优化设计
紧凑热交换器优化设计
余小章;俞勤芳
【期刊名称】《南京航空航天大学学报》
【年(卷),期】1994(026)004
【摘要】对各种传热表面的板翅式紧凑热交换器进行了优化设计计算，建立了通用优化程序系统。
此程序既适用于一般地面热交换器，也适用于飞机空调中的热交换器。
与传统的设计计算相比较，优化设计的效果很好。
热交换优化后，肋片的形状变得更加合理，芯体传热表面更加紧。
通过各种肋片的计算得出，条状肋片为板翅式肋片中的最佳者。
【总页数】6页(P489-494)
【作者】余小章;俞勤芳
【作者单位】不详;不详
【正文语种】中文
【中图分类】V245.34
【相关文献】
1.小巧紧凑的热交换器——一种新型的、紧凑而耐用的热交换器解决了在恶劣的海洋环境中加热石油的问题
2.热交换器式热量表中热交换器的优化设计研究
3.紧凑热交换器的优化设计探究
4.高效紧凑式热交换器的计算机辅助设计——优化设计自动制图一体化
5.Holmak公司：高效紧凑壳管式热交换器
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致谢
• 匆匆忙忙终于完成了毕业设计，在这里不得不感谢我的良师益 友田野老师，对于没写过科技论文的我来说，写论文的第一感 觉就是迷茫，是田老师给我指明了毕业设计的大方向，并在写 作方法和写作技巧上给了我很多非常有用的建议，这对我毕业 设计的完成起着至关重要的作用。
• 从青涩到成熟，重庆科技学院承载了我的最后的青春，说这里 是我第二家乡也毫不为过，由衷感谢重庆科技学院对我的培养， 让农村来的我见识了丰富多彩的世界，让我的未来多了更多可 能。
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3
1研究背景
优点
结构紧凑，单位体 积换热面积大。 100-170 m2 / m3 同时处理多股流体 换热
冷热端温差小，传 热效率高
自行补偿热膨胀效 应
绕管式 换热器缺点Biblioteka 传热计算复杂流动阻力大
壳程流体分布 均匀性差
对介质清洁度 高 制造成本高， 难度大
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4
1研1研究究背背景景
国内发展现状
• 贾金才用数值模拟方法研 究了绕管式换热器壳程几 何结构对换热的影响。
• 通过以上对比得出，换热器的各设计参数都 保持在比较理想的范围内，基本能符合生产 需求。这表明本设计的设计方法符合设计要 求，且能达到优化效果，为紧凑绕管式热交 换器的的研究提供了一种参考。
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13
4研究结论与展望
• 在设计过程中存在着不小的困难，参考资 料的查找比较困难，尤其是介质物性参数 的查找，这也说明本设计存在着很大的研 究空间，比如可以把物性参数表融入到 Excel表格中，使输入已知的介质参数便能 利用表格计算出相关物性参数，这将大大 有利于绕管式换热器的设计。
项目
总传热系数
实际传热面积 管程压降 壳程压降
m2
Kpa
Kpa
设计值 对比值 偏差
526.3 526 0.05%
2380 2400 0.84%
150
29
133
35
11.6%
19%
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12
4研究结论与展望
• 管壳侧压降都与原设计值相比偏小，这可能 是因为计算压降时, 仅计算管侧在管内的压降, 壳侧仅计算管束有效高度的压降, 未考虑封头 管板等局部阻力, 因此造成压降计算偏小。
紧凑绕管式换热器的 优化设计
答辩人：侯东萍
学 号：2013444226
h 导 师：田野
1
目录
1、研究背景
2、研究目的及意义 3、研究方法及过程
4、研究结论与展望
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2
1研究背景
绕管式换热器：
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。
h
6
3研究方法及过程
集总参数模型： 这类模型是最典型的热交换器的设计模
热
型，它们是在两股单相流的热平衡的基
力
础上建立起来的。
计
分布参数模型：这类模型是将换热器分成不同规格单元，
算
并将集合参数模型运用到它们中，和就
模
是最常见的形式。
型
流 的 演 化：流的演化是对每股流在一维空间上存在
着质量、动量、能量平衡的稳态模型， 这类模型通常被植入到专用软件中
h
9
3研究方法及过程
• 一般情况下，换热器的热力计算都比较复 杂，公式繁多，需要处理大量的数据，结 构设计也需要进行大量的计算，为优化设 计，简化计算，本文采用了Excel表格来辅 助计算，处理数据。
• Excel表格可建立函数关系式把各参数联系 起来，从而达到优化计算的效果
h
10
3研究方法及过程
计算流程：
创建Excel表格
输入原始数据
输入介质物性参数
输入需求项目名称
建立各项目和以上参数的函数关系式
调整关键设计数据
对比分析设计数据
得出合理h设计数据
11
4研究结论与展望
• 总传热系数和 压降是衡量换
热器优劣的重
要参数。本设 计参考Linde 公 司提供的绕管
式换热器的工
艺数据与本设
计的关键参数 进行对比分析
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5
2研究目的及意义
• 学习前人对绕管式换热器的研究可以发现， 前人的研究主要侧重于对换热器模型的构建、 结构的研究以及对换热器的传热效率的提高。
• 但是绕管式换热器的热力计算非常复杂，尤 其是牵扯到两相流问题的设计。而我国对换 热器热力计算优化计算的研究还很少，因此 对热力计算进行优化对我国绕管式换热器的 发展有着很大的促进作用，故本设计以优化 热力计算为目标。
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7
3研究方法及过程
平均温差法
P1-P2法
ε-NTU法
集总
参数 模型
ψ-P法
P-NTU法
h
8
3研究方法及过程
• 由于任务书要求本设计管壳程介质均为天 然气，且进出口温度始终高于天然气的沸 点-162.49 ℃，则本设计介质为单相流传热 问题，故本设计选用集总参数模型，运用 平均温差法来进行热力计算。
• 李健伟等利用ANSYS对实 际绕管式换热器建立了管 板结构分析有限元模型。
• 尹接喜等提出了并管传热 模型
国外发展现状
• 在国外, 1898年德国林德公 司首次开发了绕管式换热 器。目前缠绕管式换热器 广泛应用于大型空气分离 装置的过冷器及液化器(液 体氧、液体氨装置),林德 公司在合成氨甲醇洗系统 中推出了缠绕管换热器系 列。
• 这里的一切都是这么美好，特别是优秀的老师们，特别感谢教 过我的每一位老师，还有辅导员李莎老师，是各位老师让我成 长到足以自立，是各位老师教我的知识和技能让我能够独立走 向社会，也是各位老师四年来的教导才使我有能力写这篇毕业 设计，谢谢您！
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