CN102564167A - 一种带真空绝热的单股流低温螺旋缠绕管式换热器 - Google Patents

Abstract

一种带真空绝热的单股流低温螺旋缠绕管式换热器，主要由螺旋缠绕管束与真空壳体组成，应用一种新的螺旋管束理论缠绕方程，建立数学模型并将其并应用于流场数值模拟过程，以此获得管束缠绕理论计算方法并设计制造螺旋缠绕管式换热器；其应用真空绝热技术，采用上下封头、筒体各自独立的真空结构，改变了传统真空结构与列管管束结合困难，制造、安装、拆卸、检修不方便等缺点；该发明可应用于-161℃天然气低温液化、-197℃空气低温液化分离、-197℃低温液氮洗、-70℃低温甲醇洗等气体净化、液化分离技术领域，可提高低温换热效率，具有结构紧凑，单位容积传热面积大，热膨胀可自行补偿，容易实现大型化，可减少换热设备台数等优点。

Description

一种带真空绝热的单股流低温螺旋缠绕管式换热器

技术领域

本发明涉及一种带真空绝热的单股流低温螺旋缠绕管式换热器，主要应用于气体低温液化分离领域，包括-161℃天然气低温液化、-197℃空气低温液化分离、-197℃低温液氮洗工艺、-70℃低温甲醇洗工艺等气体低温净化、低温液化分离技术领域。

背景技术

螺旋缠绕管式换热器是一种热交换设备，主要用于低温热质交换过程，以其结构紧凑，单位容积具有较大的传热面积，传热管的热膨胀可自行补偿，容易实现大型化，可减少设备台数等优点成为天然气液化、低温空分、低温甲醇洗等低温净化、液化工艺中的重要设备。由于螺旋缠绕管式换热器大多应用于低温环境，体积较大，一般以传热塔的形式出现，最高可达到七、八十米，一般换热器也在二、三十米，大多以多股流换热为主，内部管道缠绕复杂，没有相关固定的设计标准，也没有统一的设计方法，随着工艺流程或物性参数的特点有较大差别，因此给螺旋缠绕管式换热器标准化过程带来了障碍。传统的螺旋管式换热器管束缠绕方法很多，存在很多缺点，缠绕过程中不能确保管束内管间距及层间距处处一致，传热效果较差，没有统一的理论计算方法，用于计算机辅助计算过程。另外，由于低温换热器与环境温度有较大差别，环境做为高温热源，持续不断给低温换热器供热，换热器表面接受太阳能辐射、空气对流换热、环境热辐射或管内摩擦热以后，***内部流体尤其在接受瞬时高热流密度热量加热后会导致严重的漏热现象，导致气液两相流，产生大量的过热蒸气，过热蒸气导致***压力剧烈变化，给换热器的换热过程造成严重影响并带来很大的安全问题，而一般采用外部毛细材料绝热层绝热的方法很难满足低温工况下换热器与外界进行热交换的问题，换热器内低温流体仍然会产生激烈的相变过程。如果螺旋缠绕管式换热器要在低温领域得到更好的应用，目前还需要更好地解决以下问题：给出螺旋缠绕管式换热器管束缠绕方法的数学模型，将缠绕过程标准化，为传热数值模拟过程做准备；将真空绝热技术应用于螺旋缠绕管式换热器，解决大型螺旋缠绕管式换热器在低温工况下的绝热问题；解决整体塔式螺旋管式换热器的整体结构及各主要部件的布局问题。

发明内容

本发明为一种带真空绝热的单股流低温螺旋缠绕管式换热器，应用一种新的螺旋管束缠绕方法，给出了理论缠绕方程；采用上下封头、筒体各自独立的真空结构，将真空绝热技术有效应用于大型螺旋缠绕管式换热器，改变传统真空结构与列管换热器管束结合困难、安装不方便、拆卸不方便、检修不方便等缺点。

本发明的技术解决方案：

一种带真空绝热的单股流低温螺旋缠绕管式换热器，主要由下管箱1、真空接管2、下管板3、法兰4、真空接管5、外压壳体6、内压壳体7、中芯筒8、螺旋盘管9、接管10、上外压封头11、上管板12、上管箱13、真空接管 14、上外压封头15、法兰16、螺旋盘管上支撑环17、耳座18、支撑环19、绝热圈20、珠光砂21、螺旋盘管下支撑环22、接管23、下内压封头24、下外压封头25、裙座26构成，其特征在于：螺旋盘管9绕中芯筒8层层缠绕，缠绕后的管芯通过下支撑环22与上支撑环17安装于内压壳体7内，上出口连接管板12，下出口连接管板3；内压壳体7与外压壳体6之间为真空夹层，顶部为进口接管10，底部为出口接管23，夹层内填充珠光砂21，安装支撑环19、绝热圈20，外压壳体6中间安装耳座18，底部安装真空接管5，外压壳体表面安装真空接管5；上外压封头11与上内压封头15之间为真空夹层，顶部安装管箱13，上管箱13下部为管板12，外压封头11表面安装真空接管14；下外压封头25与下内压封头24之间为真空夹层，夹层内有支撑环19、绝热圈20，底部安装下管箱1，管箱1上部为管板3；外压封头25表面安装真空接管2，正下方安装裙座26；上封头11与筒体6通过法兰16连接，下封头25与筒体6通过法兰4连接。

第一层缠绕管内共有t ₁＝m根管道，第一层内第一根螺旋盘管9一端固定于管板3，穿过支撑环22，沿周长为l ₁＝2πr中芯筒8基圆以固定起始角β ₁₁＝-α固定上升螺旋角b ₁＝θ ₁₁向上缠绕，再穿过上支撑环17并固定于管板12；第一层内第二根螺旋盘管9一端固定于管板3，穿过支撑环22，沿中芯筒8基圆以固定起始角β ₁₂＝-α-2π/m及固定上升螺旋角b ₁＝θ ₁₂向上缠绕，再穿过上支撑环17并固定于管板12；第一层内第h根螺旋盘管9一端固定于管板3，穿过支撑环22沿中芯筒8基圆以固定起始角β _1h ＝-α-2π(h-1)/m及固定上升螺旋角b ₁＝θ _1 h 向上缠绕，再穿过上支撑环17并固定于管板12；第二层内共有t ₂＝m+d根管道，第二层内第一根螺旋盘管9一端固定于管板3，穿过支撑环22，沿与中芯筒8基圆同心、周长为l ₂ =2πr(m+d)/m的基圆、以固定起始角β ₂₁＝α+π/m固定上升螺旋角b ₁＝θ ₂₁向上缠绕，再穿过上支撑环17并固定于管板12；第n层内共有t _n =m+(n-1)d根管道，第n层内第一根螺旋盘管9一端固定于管板3，穿过支撑环22，沿与中芯筒8基圆同心、周长为l _n =2πr[m+(n-1)d]/m的基圆、以β _n1 =[α+π(1/m+1/(m+d)+1/(m+2d)+…+1/(m+(n-2)d))]×(-1) ⁿ  固定起始角、固定上升螺旋角b _n =θ _n1向上缠绕，再穿过上支撑环17并固定于管板12；第n层内第i根螺旋盘管9一端固定于管板3，穿过支撑环22，沿与中芯筒8基圆同心、周长为l _n =2πr[m+(n-1)d]/m的基圆、以β _ni =[α+π(1/m+1/(m+d)+1/(m+2d)+…+1/(m+(n-3)d)+2(i-1)/(m+(n-2)d))]×(-1) ⁿ 固定起始角、固定上升螺旋角b _n =θ _ni 向上缠绕，再穿过上支撑环17并固定于管板12；任一螺旋管道满足曲线方程：

x ²+y ²=r ²

z=2πrktgb _n

l _n =2πr[m+(n-1)d]/m

β _ni =[α+π(1/m+1/(m+d)+1/(m+2d)+1/(m+3d)+…+1/(m+(n-3)d)+2(i-1)/(m+(n-2)d)) ]×(-1) ⁿ

b _ni ＝θ _ni

其中，x，y，z为变量，r为半径，k为上升圈数，b为上升螺旋角，l为周长，m为第一层管根数，n为层数，i为层内第i根管，α为第一层第一根螺旋管起始角，β为第n层第i根管起始角，θ为螺旋角大小。

方案所涉及的原理问题：

螺旋缠绕管式换热器主要应用于气体低温液化分离及气体净化领域，如天然气低温液化、空气低温液化分离、低温甲醇洗等气体低温净化、低温液化分离等技术领域，所以具有低温换热特性，往往具有多相流，换热过程中相变，是目前低温高压换热设备中计算、设计、制造难度较大的换热器。本发明提出一种带真空绝热层的主要应用于低温环境的单股流低温螺旋缠绕管式换热器，并给出了相应管束缠绕数学模型，可将螺旋缠绕管式换热器的缠绕方法应用于数学建模过程，并将所建数学模型及相应三维物理模型应用于流场数值模拟过程，获得螺旋缠绕管式换热器的流场参数分布模型及相关传热模型，以此设计整个螺旋缠绕管式换热器，使螺旋缠绕管式换热器有一个确定的设计方法。应用真空低温绝热方式，是目前解决低温换热过程中环境热源对内传热的最有效的方法，可以有效杜绝环境热源以热传导、对流换热、热辐射为主要传热途径的传热过程，是目前低温领域内较常用的方法，较传统毛细材料绝热，性能提高了近一个量级。然而由于真空低温绝热大多应用于低温流体的静态储存，很少应用于低温换热领域，尤其螺旋缠绕管换热器领域，主要原因是采取真空低温绝热后，相当于壳体外增加了一层壳体，且内、外壳体均采用焊接的方式形成一个密闭的整体，给加工制造、真空过程、检验检测、设备维护等带来了很大的麻烦，设备成本明显提高，且添加真空层后，换热管束无法取出，一旦管束9出现泄漏，整台换热器将被报废。为了适应螺旋缠绕管换热器真空绝热需要，既要真空绝热，同时又要方便加工制造及检修过程，本发明采用分段绝热过程，即筒体6与上封头11、下封头25各自采用真空绝热，最后再采用法兰连接，实现整体换热器的真空绝热过程，加工制造更加方便，各真空部件可独立加工并进行相应检测，管束9安装制造好，还可进行单独检测，检测合格后再安装筒体6，然后再将管束9与上下封头对接，对接之后再应用法兰连接整个简体。换热器一旦出现泄漏问题，还可进行有效及时的检修堵漏过程，需要时还可进行拆卸。本发明在外压壳体6、下外压封头25真空夹层内安装支撑环19及绝热圈20，主要原因是缠绕管束的重量大，在运输或工作过程中容易对真空夹层造成损坏，支撑环19可用于解决设备在运输或工作过程中的承重问题。绝热圈20的主要作用是防止产生冷桥，即防止冷量通过支撑环19向外传递。真空层内添加珠光砂21的目的是降低真空层内的辐射换热量。

本发明的技术特点：

给出了一种带真空绝热的单股流低温螺旋缠绕管式换热器的整体设计模型及模型具体结构；提出了一种缠绕管式换热器管束缠绕的数学模型，可应用此数学模型将螺旋缠绕管式换热器的缠绕方法应用于数学建模过程，并将所建数学模型及相应三维物理模型应用于流场数值模拟过程，可获得螺旋缠绕管式换热器的流场参数分布模型及相关传热模型，以此设计整个螺旋缠绕管式换热器，使螺旋缠绕管式换热器有一个确定的设计方法；将分段式真空结构应用于螺旋缠绕管式换热器，即筒体与两个封头各自采用真空绝热，最后再采用法兰连接，实现整体换热器的真空绝热过程，各真空部件可独立加工制造并进行相应的检测，使螺旋缠绕管式换热器加工、制造、检修过程更加方便，克服了原真空容器不能进行有效及时的检修的缺点，一旦出现泄漏等问题，可将真空结构分段打开，进行检修，以不影响整个换热器的真空结构。

附图说明

图1所示为一种带真空绝热的单股流低温螺旋缠绕管式换热器的主要部件安装位置关系。

具体实施方式

本发明根据已经建立好的管束缠绕数学模型，应用传热数值模拟方法，首先确定螺旋缠绕管式换热器内管束的理论缠绕方法，及管束缠绕过程中的管间距及层间距等相关参数，应用传热及流场数值模拟方法确定缠绕管式换热器的内部最佳排列结构，进而确定螺旋角，管间距，层间距等重要参数，最后，根据已经参数确定完整的排列方式，即可获得确定的管束设计方案，进行相关产品的加工制造过程。将加工好的螺旋管束按本发明所述数学模型缠绕于中心筒上，管束两端安装管板并固定；将加工好的管芯通过上支撑环17下下支撑环22安装于加工制造好的带真空绝热的筒体7内；将上下管板固定于上下封头内；将上下封头与筒体6连接；将上管箱13、下管箱1、接管10、接管23分别与相应的流体管道连接。逆流时，从下管箱1流入管程的流体经过下管板3分流后流入各缠绕管束9，流体在分层缠绕管束9内流动，并与从接管10进入壳程的流体在壳体7内进行复杂的热量交换，交换完毕后，经上管板12，沿上管箱13流出；壳程流体沿下接管23流出。并流时，从上管箱13流入管程的流体经过上管板12分流后流入各缠绕管束9，流体在分层缠绕管束9内流动，并与从接管10进入壳程的流体在壳体7内进行复杂的热量交换，交换完毕后，经下管板3，下管箱1流出；壳程流体沿下接管23流出。

Claims (3)

1.一种带真空绝热的单股流低温螺旋缠绕管式换热器，包括下管箱1、真空接管2、下管板3、法兰4、真空接管5、外压壳体6、内压壳体7、中芯筒8、螺旋盘管9、接管10、上外压封头11、上管板12、上管箱13、真空接管 14、上外压封头15、法兰16、螺旋盘管上支撑环17、耳座18、支撑环19、绝热圈20、珠光砂21、螺旋盘管下支撑环22、接管23、下内压封头24、下外压封头25、裙座26，其特征在于：螺旋盘管9绕中芯筒8层层缠绕，缠绕后的管芯通过下支撑环22与上支撑环17安装于内压壳体7内，上出口连接管板12，下出口连接管板3；内压壳体7与外压壳体6之间为真空夹层，顶部为进口接管10，底部为出口接管23，夹层内填充珠光砂21，安装支撑环19、绝热圈20，外压壳体6中间安装耳座18，底部安装真空接管5，外压壳体表面安装真空接管5；上外压封头11与上内压封头15之间为真空夹层，顶部安装管箱13，上管箱13下部为管板12，外压封头11表面安装真空接管14；下外压封头25与下内压封头24之间为真空夹层，夹层内有支撑环19、绝热圈20，底部安装下管箱1，管箱1上部为管板3；外压封头25表面安装真空接管2，正下方安装裙座26；上封头11与筒体6通过法兰16连接，下封头25与筒体6通过法兰4连接。

2.根据权利要求1所述的一种带真空绝热的单股流低温螺旋缠绕管式换热器，其特征在于：第一层缠绕管内共有t ₁＝m根管道，第一层内第一根螺旋盘管9一端固定于管板3，穿过支撑环22，沿周长为l ₁＝2πr中芯筒8基圆以固定起始角β ₁₁＝-α固定上升螺旋角b ₁＝θ ₁₁向上缠绕，再穿过上支撑环17并固定于管板12；第一层内第二根螺旋盘管9一端固定于管板3，穿过支撑环22，沿中芯筒8基圆以固定起始角β ₁₂＝-α-2π/m及固定上升螺旋角b ₁＝θ ₁₂向上缠绕，再穿过上支撑环17并固定于管板12；第一层内第h根螺旋盘管9一端固定于管板3，穿过支撑环22沿中芯筒8基圆以固定起始角β _1h ＝-α-2π(h-1)/m及固定上升螺旋角b ₁＝θ _1 h 向上缠绕，再穿过上支撑环17并固定于管板12；第二层内共有t ₂＝m+d根管道，第二层内第一根螺旋盘管9一端固定于管板3，穿过支撑环22，沿与中芯筒8基圆同心、周长为l ₂ =2πr(m+d)/m的基圆、以固定起始角β ₂₁＝α+π/m固定上升螺旋角b ₁＝θ ₂₁向上缠绕，再穿过上支撑环17并固定于管板12；第n层内共有t _n =m+(n-1)d根管道，第n层内第一根螺旋盘管9一端固定于管板3，穿过支撑环22，沿与中芯筒8基圆同心、周长为l _n =2πr[m+(n-1)d]/m的基圆、以β _n1 =[α+π(1/m+1/(m+d)+1/(m+2d)+…+1/(m+(n-2)d))]×(-1) ⁿ  固定起始角、固定上升螺旋角b _n =θ _n1向上缠绕，再穿过上支撑环17并固定于管板12；第n层内第i根螺旋盘管9一端固定于管板3，穿过支撑环22，沿与中芯筒8基圆同心、周长为l _n =2πr[m+(n-1)d]/m的基圆、以β _ni =[α+π(1/m+1/(m+d)+1/(m+2d)+…+1/(m+(n-3)d)+2(i-1)/(m+(n-2)d))]×(-1) ⁿ 固定起始角、固定上升螺旋角b _n =θ _ni 向上缠绕，再穿过上支撑环17并固定于管板12。

3.根据权利要求2所述的一种带真空绝热的单股流低温螺旋缠绕管式换热器管束缠绕方式，其特征在于：任一螺旋管道满足以下曲线方程组：

x ²+y ²=r ²

z=2πrktgb _n

l _n =2πr[m+(n-1)d]/m

b _ni ＝θ _ni

β _ni =[α+π(1/m+1/(m+d)+1/(m+2d) +…+1/(m+(n-3)d)+2(i-1)/(m+(n-2)d)) ]×(-1) ⁿ

其中，x，y，z为变量，r为半径，k为上升圈数，b为上升螺旋角，l为周长，m为第一层管根数，n为层数，i为层内第i根管，α为第一层第一根螺旋管起始角，β为起始角，θ为螺旋角大小。