缠绕管式换热器层间距及同层管间距的确定
缠绕管式换热器是由一组或多组缠绕呈螺旋管状的管子置于壳体之中制成的，又称螺旋管式换热器。他的特点是结构紧凑、传热面积比直管大，温差应力小，但管内清洗困难，可用于较高粘度的流体加热或冷却。
缠绕管式换热器不仅适用于大型石油化工工艺过程，现今大型氮肥国产化装置也陆续制造了数台大型缠绕管式换热器，并取得了初步成功。缠绕管式换热器在化工工艺流程中不仅是甲醇洗装备的关键单元设备，而且还是一种节能设备，但由于该设备工艺计算复杂，制造难度极大，工程技术一直被国外林德等公司垄断，国产化进展较小。多年以来，镇海炼化化肥厂三家单位联合攻关，开展了缠绕管式换热器国产化的一系列研究。从第一台甲醇换热器成功投入使用以来，已为国家“十五”重大装备国产化依托工程—山东华鲁恒升化工股份有限公司大量生产。
由于缠绕管式换热器的工艺计算复杂，本文将仅涉及到工艺计算的核心内容——换热器层间距及同层管间距的确定。
缠绕管式换热器与传统换热器相比，其优点在于：喘流度高，换热效率高，结构紧凑、空间利用效率高，无换热死区。
缠绕管式换热器之所以具备较传统换热器优越的性能，在于其结构方面的特殊。
传统换热器是浮头式折流板换热器，该换热器的换热管是光滑直管，介质在管内直流，在管中心部分流速快，与管内
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面接触的部分流速慢。其特点如下：1、由于介质在管内直流，因此管内的介质运动状态较为稳定，喘流度小，管中心的介质在流动过程中几乎不会与管内表面附近的介质发生扰动，不能很好的实现热量由管心介质向靠近管内壁介质的转移，从而造成同一界面上，管内表面处的温度接近换热管外表面的介质温度，而越靠近管中心，介质温度与换热管外表面的介质温度相差越大，最终降低了热交换能力。2、由于换热管是直管，因此，换热管的长度小于壳体的长度，所以换热管的换热面积受到极大的限制。3、由于壳体内设有折流板，因此根据流体力学知识不难得出在换热过程中必然存在换热死区，以至对换热效率造成影响。4、又由于壳体内各间隙的换热环境不同，故不易进行可控条件下的多股流换热。
缠绕式换热器由一组或多组缠绕呈螺旋管状的管子置于壳体之中制成的，如图1所示。其缠绕特点为：1、任意一层相邻两换热管之间的净距相同，用s表示。2、任意相邻两层换热管之间的净距相同，用d表示。3、每一层换热管的根数由内层至外层的顺序递增，关键在于递增的结果应保证任意一层上、任意两相邻换热管之间的间距相同。4、同一层上的螺旋状换热管的螺旋角应相同，用a表示。5、任意相邻两层螺旋换热管的螺旋角应互为相反数。6、相邻两层螺旋换热管之间用厚度为d的薄金属片通过焊接的方式固定。7、最内层螺旋状换热管与中心柱筒之间用厚度为d/2的薄金属片通过焊接的方式固定。8、最外层螺旋状换热管与壳体内壁之间用厚度为d/2的薄金属片通过焊接的方式固定。（注：上述所提及的薄金属片都是沿换热器轴向固定）
在缠绕管式换热器的使用过程中，换热管内的介质将沿着换热管的螺旋方向流动，壳体内的流体将沿着同层间螺旋管所构成的螺旋通道流动。其换热特点在于：1、由于介质在螺旋流动的过程中将产生二次环流，故壳内及换热管内喘流度高，流束内外部热交换充分，所以热交换能力强。2、由于相邻两层螺旋管的螺旋角为相反数，故可以大大的增强壳体内相邻两流层的喘流度，增强热交换能力。3、由于换热管是螺旋状缠绕的，因此换热管的长度将远远大于换热器的长度，所以极大地增大了换热面积。4、因为螺旋管道的长度远远大于换热器的长度，故在介质流速为定值的情况下，将大大的延长换热的时间，从而达到提高换热效率的目的4、。根据缠绕管式换热器的布局特点不难发现壳体内任一空隙位置的换热环境均相同（壳体内任一空隙位置的大小相同），故可以在已知的情况下进行多股流的热交换。
介质在螺旋状流道内热交换的优点在上述段落内已提及，但如何达到介质做螺旋流道流动的目的需要对同层管间距d与相邻层间距s进行具体的分析。
对于相邻层管间距d的取值判定，首先要意识到当d值足够大时，壳内介质将做直流流动，因此d值越小，越有利于实现螺旋流道式流动。其中，当d=0，即相邻层螺旋管直接焊在一起时达到螺旋流道流动的最佳效果，但是直接将管道焊在一起，将会对换热管的强度造成影响，以至不能适应高压工况下的换热。除上述所说的对换热管道强度造成影响之外，由于过流面积的减小，还会大大的增大壳内介质的动能损失，不适宜高粘度的流质换热，所以螺旋管层层之间必须通过金属片来固定。金属片的厚度受到工业焊接水平的限制，西方发达国家的缠绕式换热器的d值取2mm。
对于同层管间距s的取值应依据相邻层管间距d的取值判定，其
要求
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在于，s的取值应不至于导致介质做螺旋流道流动的阻力大于其直流的阻力，满足此要求的s值中，必然存在一个最小值，该值可使同层间换热管排列最紧凑。s值的最终确定应在满足不小于最小值的条件下由具体换热要求确定。
需要强调的是，在缠绕管式换热器中，任意一根换热管的长度都相同。其次便是，介质的流动方向是沿着阻力损失小的流道流动的，而绝非是沿着最短的流道流动，故介质螺旋流动换热的关键在于如何实现做螺旋流动的阻力损失小于做直流流动的阻力损失，即最终取绝于相邻层管间距d与同层管间距s。
虽然上述所说的比较简单，但事实上，如何合理的选取d、s值需要在大量实验的基础上才能确定。实验应针对在不同的温度、不同的压力条件下对不同的介质进行，从而在大量实验数据的基础上，得出不同介质在不同温度、不同压力的条件下d值与s值的关系，并做成特定的表格，以便于不同应用环境中缠绕管式换热器的设计。
图1
浙公网安备 33021202002483