在液化天然氣、空分裝置、氫能儲運等工況領(lǐng)域，傳統(tǒng)管殼式換熱器因體積龐大、耐壓能力有限而難以滿足需求，而繞管式換熱器憑借其的螺旋纏繞管束結(jié)構(gòu)與高壓適應(yīng)性，成為深冷、高壓、大溫差場景的核心傳熱設(shè)備。作為緊湊型換熱器的代表，繞管式換熱器通過多層螺旋管束與殼程流體的高效逆流傳熱，在相同換熱量下體積較傳統(tǒng)管殼式減少40%~60%，同時可承受15~30MPa的超高壓環(huán)境，是能源與化工領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)設(shè)備小型化、高能效化的關(guān)鍵技術(shù)突破。
 

　　??一、定義與核心特征??
 

　　??1.1基本定義??
 

　　繞管式換熱器是一種由多層螺旋纏繞的細管束構(gòu)成管程、殼程流體沿軸向流動的高效換熱設(shè)備。其核心設(shè)計理念是通過螺旋纏繞增加單位體積內(nèi)的傳熱面積，并利用管束自緊效應(yīng)提升承壓能力。
 

　　1.2技術(shù)優(yōu)勢??
 

　　??高壓耐受性??：螺旋纏繞產(chǎn)生的預應(yīng)力可抵消管內(nèi)外壓差，最高承壓達30MPa。
 

　　??深冷適應(yīng)性??：管束采用低溫鋼或鋁合金，-196℃下仍保持韌性。
 

　　??自清潔能力??：螺旋流道抑制結(jié)垢，維護周期延長2~3倍。
 

　　??熱補償性能??：管束自由端可軸向伸縮，避免溫差應(yīng)力集中。
 

　　??二、結(jié)構(gòu)解析與傳熱機理??
 

　　??2.1典型結(jié)構(gòu)分解??
 

　　??芯筒：碳鋼或不銹鋼圓筒，作為管束纏繞基準，直徑200~800mm。
 

　　??螺旋管束??：多組細管按15°~30°螺旋角分層纏繞，層間填充定距條。
 

　　??殼體??：高壓厚壁筒體，與管束間形成殼程流道，內(nèi)壁可設(shè)導流筒。
 

　　??管箱：集流管采用多孔鍛件，實現(xiàn)管程介質(zhì)均布。
 

　　??支撐結(jié)構(gòu)??：端部管板與環(huán)形支撐圈固定管束，防止振動疲勞。
 

　　??2.2流體動力學特性??
 

　　??殼程流態(tài)??：螺旋流道誘導流體旋轉(zhuǎn)，增強湍流度，傳熱系數(shù)提升20%~40%。
 

　　??管程流態(tài)??：小管徑實現(xiàn)高流速，抑制層流底層熱阻。
 

　　??2.3傳熱強化機制??
 

　　??逆流主導??：管程與殼程逆向流動，對數(shù)平均溫差大化。
 

　　??二次流效應(yīng)??：螺旋曲率誘發(fā)Dean渦流，強化邊界層擾動。
 

　　??高密度傳熱面??：通過多層纏繞與密排管束，單位體積傳熱面積達管殼式3倍以上。
 

　　三、制造工藝與質(zhì)量控制??
 

　　??3.1核心制造流程??
 

　　??管束預成型??：
 

　　細管經(jīng)矯直、酸洗后，在芯筒上螺旋纏繞，層間鋪設(shè)銅制定距條。
 

　　纏繞張力控制，確保管束層間緊密貼合。
 

　　??管束固定??：
 

　　端部采用環(huán)形鍛件+電子束焊接，形成整體管束模塊。
 

　　液壓脹管使管束與芯筒貼合。
 

　　??殼體組裝??：
 

　　厚壁筒體卷制+縱縫焊接，內(nèi)壁堆焊耐蝕層。
 

　　管束整體吊裝入殼，兩端法蘭螺栓預緊。
 

　　3.2特殊工藝要求??
 

　　??深冷處理??：管束在液氮中冷卻至-196℃，釋放纏繞殘余應(yīng)力。
 

　　??氦檢漏測試??：管程充氦至設(shè)計壓力，質(zhì)譜儀檢測泄漏率<1×10??mbar·L/s。
 

　　??流阻測試??：殼程水循環(huán)測試，壓降偏差≤5%。
 

　　3.3數(shù)字化制造技術(shù)??
 

　　??纏繞數(shù)控系統(tǒng)??：6軸機器人同步控制管材送進與芯筒旋轉(zhuǎn)，定位精度±0.1mm。
 

　　??AI工藝優(yōu)化??：基于歷史數(shù)據(jù)訓練神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，預測理想纏繞張力與速度組合。