・8・ ２００５年第１期 石油和化工节能 绕管式换热器技术发展综述
王百战 染绪囷
摘要 绕管式换热器作为高效紧凑换热器的一种，在余热利用和节能方面起着积极的作用。介绍了绕管式换热器的结构特点以及发展的现状和主要趋势，对换热器系统最佳化和评价方法等问题进行了分析探讨。 关键词 绕管式换热器 技术 发展
在年产３００ｋｔ合成氨５２０ｋｔ尿素的装置中，高效紧凑式换热器的应用是一个显著的特点。绕管式换热器作为高效紧凑换热器的一种，发挥着自身独有的作用，在余热利用和节能方面起着积极的作用。本文就绕管式换热器的技术发展、换热研究、制造技术以及优化设计方面作一些粗浅的介绍，可作为绕管式换热器在生产管理和技术管理方面的参考。
１ 绕管式换热器的结构特点 绕管式换热器在结构上较为紧凑，传热效率也高，并且具有一定的温度自补偿能力。结构特点是用小直径管以螺旋状缠绕在芯管上，而且各层的缠绕方向相反，螺旋圈的径向间距用特制的金属垫条来调节，螺旋圈的角度一般为５－２０°。绕管式换热器一般适宜用于多股流体间的换热。多用于净化流程的低温甲醇洗装置以及空分装置。小直径管有的是单独缠绕，也有的是将两根或多根管子焊接（或并）在一起，做成多管型结构。 图１和图２是双管型绕管式换热器及其解析模型图。 图１ 双管型绕管式换热器 图２ 双管型绕管式换热器的解析模型 ２ 绕管式换热器的现状及发展趋势 从２０世纪７０年代开始，由于化工装置和能源装置在不断地向高参数和大型化发展，同时由于节能形势的发展，高效紧凑式换热器日益受到重视，绕管式换热器也随之趋向大型化和高参数方面的发展。绕管式换热器的大型化发展也揭示着新的制造水平：大型管板锻件的供用和加工；管束与壳体的装配以及引发的焊接工作量等问题的解决都进入了一个新的层次。 大型管板，孔多、孔密、孔小、孔深，而且孔的精度和光洁度要求很高。要达到高的加工精度，当然必须依靠高的定位精度来保证。美国ＣＥ公司采用Ｃｒｏｓｓ公司５轴数控管板钻床，达到了当代超厚管板加工技术的最新水平。日本对中等厚度（厚度１５０ｍｍ以下）管板和薄管板成功地研制了８轴和１４轴高效率数控钻床，大大提高了加工精度，生产效率都显著提高。
３ 管子与管板的连接技术 管子与管板的连接，目前主要是胀接、焊接和胀焊结合。 石油和化工节能 ２００５年第１期 ・9・ ３．１ 胀管技术的发展 自２０世纪７０年代以来，绕管式换热器向大型化发展，胀接技术日益要求严格，同时，胀接技术也一直是换热器制造中的主攻目标之一。现已发展到多种形式，如液压胀管、液袋胀管、橡胶胀管、电液脉冲胀管和爆炸胀管等多种胀接工艺，其中以爆炸胀管效率最高。爆炸胀管工艺方法起源于２０世纪６０年代，到７０年代已得到广泛应用。爆炸胀管是利用爆炸时的径向力达到胀紧，利用轴向力将残渣抛出管外。 ３．２ 焊接技术对管与管板连接的贡献 胀接接头的强度是靠管与管板之间的接触压力所产生的摩擦力来满足要求的，对于高温或高温高压的换热器，由于管板要经受到长时间加热或是长时间的表面接触压力，从而导致摩擦力下降，连接强度降低。因此，在２０世纪７０年代，在高温、高压、强腐蚀或泄漏条件下的管与管板的连接相继出现了爆炸焊、内孔焊和电子束焊的焊接接头工艺或是胀焊结合的接头工艺。 ４ 接管焊接和壳体的组焊 绕管式换热器的大型化发展，不仅大大增加了焊接的工作量，而且对焊接的质量也日益要求严格。２０世纪７０年代，美国首先解决了接管的鞍形焊缝的自动化焊接，随后在欧洲各国相继得到应用。如今，绕管式换热器不仅在接管的鞍形焊缝方面，而且在壳体的纵、环焊缝以及管子与管板的焊接等方面均已采用自动化焊接，大大提高了焊接工作效率，而且焊接质量也得到保证。 ５ 绕管式换热器的无损探伤 绕管式换热器的无损探伤主要是针对管子与管板的接头检查以及对管子的检查，２０世纪７０年代以来，发展起来的涡流检测法主要侧重于检查管子的缺陷，对于管子与管板的焊接接头则是用棒阳极射线、着色、低能γ射线等来进行检查，而超声波检查法则是用于内孔焊缝和电子束焊缝的检查。 ６ 专业化协作生产 绕管式换热器的大型化发展，已迫切需要各专业厂相互协作，以及高等院校、设计院、用户、制造厂之间的相互协作。目前，这已成为国外发展的普遍动向。在我国，绕管式换热器的研制和发展，虽然不够迅速，但已开始起步。２０世纪９０年代，西安交通大学、兰石设计院以及开封空分集团等组成了“多股流高压绕管式换热器工业应用”课题组。经过探索攻关，成功地为宁夏化工厂提供了用于年产３００ｋｔ合成氨装置的Ｅ７绕管式换热器，填补了国内的空白。
７ 传热、流动理论及振动的研究 长期以来，各国都十分重视传热和流动理论的研究。目前，国际上每年发表的传热、流动和换热器的研究文献成千上万，且成立了一些很有影响的国际性研究组织，在定期召开的各种国际传热专题会议上发表的论文涉及面也很广。近年来，两相流的研究、核沸腾和膜沸腾机理的研究、冷凝的研究以及强化传热新方法及其机理的研究，都是比较引人瞩目的研究课题。 在近几年的理论研究中，振动方面的研究也越来越为人们所重视。绕管式换热器的大型化发展，引发的难题之一就是管束和管板的振动。德国林德公司很好地解决了这方面的难题，拥有绕管式换热器振动问题解决方面的专利；在我国，西安交通大学、天津大学等单位在绕管式换热器的振动和防振方面也进行了大量的工作。
８ 热物性的研究 物性数据是传热和流动计算的基础，也是绕管式换热器设计和制造的重要根据。美国和日本等国都很重视这方面的研究工作，研究的主要课题有：临界点附近的物性值；低温物性；物性值的一致性问题；标准数据的确定；用计算机推算和检索物性数据等等。在我国，这方面的研究工作也已经起步，但基本上仍是一个空白区，１９８２年出版的由卢焕章博士主编的《石油化工基础数据手册》，可以说是我国在这方面工作的一个良好开端。
９ 换热器研究中的测试技术 测试技术在我国的换热器技术发展中也是一个很薄弱的环节，大量应用着Ｕ形管压差计之类的原始测量工具，直接影响研究结果的精确性和可靠性。目前，国外很重视换热器中的测量技术的研究，在常规测量中，一次仪表要求有很高的精度，且一些先进的技术引入到一次仪表上，不仅提高了测量精度，同时还为测量自动化奠定了基础。与此同时，利用射流、激光、热线、核磁共振和电子计算机等当代先进技术，使测试技术朝着高精度、高灵敏度・10・ ２００５年第１期 石油和化工节能 和自动化的方向发展。在测试技术中，激光多普勒流速计（Ｌ．Ｄ．Ｖ）等的广泛应用，被认为是测试技术进步的重要标志之一。 １０ 换热器系统最佳化 换热器系统的最佳化必须服从于全装置系统的最佳化要求，在新装置设计和老装置的改造中尤其显得重要。 关于换热器的评价问题，下面首先对几个传统的评价观点作一初步探讨。 １０．１ 强度和平均温度 直到２０世纪７０年代的中、后期，许多设计者追求高的热强度仍是一个普遍的倾向，而实现高的热强度的主要途径又是选择高的对数平均温差，这样，导致的直接结果是引起了系统有效能耗的大幅度增加。 １０．２ 传热面积 小的传热面积是以往衡量一个装置设计是否先进的另一个主要标志。小的传热面积节省材料，一次性投资少。对完成一个特定的热过程，小的传热面积无疑是我们所希望的，但对于换热后仍有大量余热排放的换热系统，往往适当增大传热面积则更为有利。在我国，近年来改造的换热器流程中，换热面积均有较大幅度的增加，收到的经济效益也十分显著。 １０．３ 总传热系数 总传热系数始终是不可缺少的衡量标准之一。长期以来，提高传热系数一直是各国普遍重视的研究课题。在我国过去的设计和研究中，有大量的事例是借增大压力来换取有限高的传热系数，这从节能的观点来看并不合算。 １１ 换热器系统评价方法 下面介绍两种新的评价方法，它们避开了传热和压力降的矛盾，提供了正确的设计和评价的基础。 １１．１ 应用有效能的概念来评价 我们知道，能量可以转化为功，但并不是所有的能都可以全部转化为功。例如热能，就只有一部分可以转化为功。我们把可以转化为功的那部分能量称作为有效能，而不能转化为功的那部分能量则称为有效能耗。对于一个热过程，有效能耗越小，设计就越合理。这就是利用有效能的概念来评价换热器的基本点，该方法在我国已经得到应用。 １１．２ 用不可逆性比率的概念来评价 根据热力学第二定律，有人提出了利用熵产生单元数，即不可逆性比率的概念来评价换热器，亦即减少熵产生单元数来合理选择换热器的参数。 探讨换热器系统最佳化和评价方法有利于换热器的设计和研究。但事实上，不可能在任何时候都可以选用最佳表面积和最佳尺寸，而应同时考虑所占有的有效空间形状和体积，同实际的空间位置是否相适应。另外，还得考虑价格等方面的因素，最后才能综合决定。 综上所述。国外的绕管式换热器的技术发展是较为全面的先进的。究其原因在很大程度上是由于他们在发展中重视经济效益和有较强的专业研究中心从事工作，而且这些研究中心又和高等院校、用户及制造厂之间有着极为广泛的密切联系，又极力与国际上的有关机构合作来从事研究工作，避免了重复工作，加快了研究进程，极大地推动了绕管式换热器技术的发展。这一点，在我国很值得借鉴和参考。
﹌﹌﹌﹌﹌﹌﹌﹌﹌﹌﹌﹌﹌﹌﹌﹌﹌﹌﹌﹌﹌﹌﹌﹌﹌﹌﹌﹌﹌﹌﹌﹌﹌﹌﹌﹌﹌﹌﹌﹌﹌﹌﹌﹌﹌ （上接第２页） １．６３吨标准煤，比“九五”末提高２３％；人均年用电２６５９千瓦时，比“九五”末增长近１００％。据统计，浙江省人均耗能和人均消费电水平分别高出全国人均水平４０％和８０％。 实施全面节约能源战略 针对当前能源瓶颈，浙江省政府要求实施全面节约能源战略，在当前和今后较长时期务必坚持科学发展观和走新型工业化道路，深入实施节能法，要把节能放在首位，以提高利用效率为重点，调整经济结构，转变增长方式，推进技术进步，努力发展循环经济加快建设资源节约型社会。 浙江省政府要求各地采取以下措施：一、大力发展低耗能产业，加快淘汰耗能高、效率低、污染重的落后工艺、技术和设备；二、大力推进节能技术创新和应用，促进节能新技术、新工艺、新产品、新设备的广泛应用；三、重点抓好钢铁、轻纺、建材、石化等行业能源消耗高、节能潜力大的节能工作；四、政府要切实转变职能，要建立有利于能源可持续发展的监督管理新体制。 浙江省政府宣布将省节能专项资金从５００万元提高到１０００万元。