缠绕管式换热器是一种高效的换热设备，广泛应用于化工、制冷、电力等领域。其结构设计和良好的热传递性能使其成为工业领域中的优选设备。然而，为了确保其性能优化和安全运行，对缠绕管式换热器的热效率和压力损失进行准确计算是至关重要的。
一、缠绕管式换热器的特点
绕管换热器相比普通管壳式换热器具有显著的优势：
适用温度范围广：既可用于制氧等低温过程，又可用于化肥供氢等高温装置。
热补偿性能好：当换热器内部发生热胀冷缩现象时，绕管换热器管束可以自由伸长或收缩，不会对管板造成大的影响。
结构紧凑：绕管换热器中管束紧密缠绕，相邻两层管束通过隔条支撑，减少了普通换热器因安装复杂支撑装置而造成的高效换热空间的浪费。
结垢倾向低：内部结构及两侧介质充分的逆流换热使其具有自我清洁的功能。
换热效率高：这也是绕管换热器成为各大企业、研究机构争相研究的主要原因之一。
二、热效率计算
缠绕管式换热器的热效率计算涉及多个参数和复杂的物理过程，主要包括传热系数的计算、总传热面积的计算、以及热负荷的分配等。
1.传热系数的计算
传热系数K是反映换热器传热性能的重要参数，它表示在单位时间内，通过单位传热面积所传递的热量。其计算公式一般为：
[K=\frac]
式中：
(Q)是换热量(W)；
(A)是传热面积((m^2))；
(\DeltaT_m)是对数平均温差(K)。
对于缠绕管式换热器，传热系数(K)可以通过以下步骤计算：
内侧对流换热系数：根据传热管的内侧流体特性(如密度、黏度、导热系数、定压比热等)以及流速，采用适当的对流换热公式进行计算。
外侧对流换热系数：类似地，根据壳侧流体的特性及流速进行计算。
热垢系数：考虑传热管内外壁的热垢影响，通常采用经验公式或图表进行查询。
管壁导热系数：根据传热管的材料及其壁厚进行计算。
将以上各项系数代入传热系数的计算公式，即可得到缠绕管式换热器的传热系数。
2.总传热面积的计算
总传热面积是换热器的重要设计参数，其计算公式一般为：
[A=\frac]
式中各参数意义同上。为了计算总传热面积，首先需要确定换热量(Q)，这通常由工艺要求确定。对数平均温差(\DeltaT_m)则需要根据进出口温度进行计算。
对于缠绕管式换热器，总传热面积的计算还需考虑传热管的排列方式(如直列、错列)、缠绕角度、层数等因素。这些因素会影响传热管的换热效率及传热面积的计算。
3.热负荷的分配
在缠绕管式换热器中，热负荷通常根据各传热管的传热系数及传热面积进行分配。为了确保换热器在各工况下均能高效运行，需要对热负荷进行合理分配，避免某些传热管过热或冷却不足。
4.复杂管束结构参数及相关换热计算模型
由于管束结构复杂，为了准确计算其热效率，需要建立相应的数学模型。这些模型通常基于传热学及流体力学的基本原理，采用对数平均值法、体积分率法及质量分率法等求解过程参数。通过大量的数学计算及图表查询，可以得到复杂管束结构参数及相关换热计算模型，从而设计并优化整个换热器。
三、压力损失计算
缠绕管式换热器的压力损失是评价其流体阻力特性的重要指标，直接影响换热器的运行效率和能耗。压力损失的计算涉及多个因素，包括流体性质、流速、管道几何形状等。
1.压力损失计算公式
压力损失计算公式一般为：
[\DeltaP=\sum_^\DeltaP_j]
式中：
(\DeltaP)是总压力损失(Pa)；
(\DeltaP_j)是每段对应的压力损失(Pa)，可以是壳侧的也可以是管侧的。
2.基本相关数据获取
为了计算压力损失，首先需要获取绕管式换热器的基本相关数据，包括：
换热管的内径和长度；
芯圆筒的外径；
换热管的数量以及缠绕的层数；
缠绕时绕角的大小；
流体流量等。
3.几何结构运算
在获取基本数据后，需要进行几何结构的运算，包括：
壳侧的截面积；
绕管的当量直径；
每一层换热管的数量等几何特征参数。
4.微元化划分及分段处理
为了更准确地计算压力损失，通常将绕管式换热器进行微元化划分，分段处理。管的长度越长，划分的段数越多。划分的每一端都应根据热量衡算将出口温度、压力等数据算出，结果取和或平均值。
5.壳侧与管侧压力损失计算
壳侧和管侧的压力损失计算分别采用不同的公式和系数。对于壳侧，通常根据流体在壳侧流道内的流动特性(如流速、密度、黏度等)以及壳侧的几何形状(如直径、长度、弯头等)进行计算。对于管侧，则根据流体在传热管内的流动特性及传热管的几何形状进行计算。
在计算过程中，需要特别注意以下几点：
考虑流体的相变过程对压力损失的影响；
对于复杂流道(如错列布置、弯曲流道等)，需要采用适当的修正系数进行计算；
考虑流体在传热管入口和出口处的局部阻力损失。
四、结论
缠绕管式换热器的热效率和压力损失计算涉及多个复杂的物理过程和参数。为了确保计算的准确性，需要充分了解换热器的结构特点和工作原理，掌握传热学和流体力学的基本原理和方法。通过合理的数学模型和计算方法，可以得到换热器的传热系数、总传热面积以及压力损失等关键参数，为换热器的设计、优化和运行提供重要依据。
在实际应用中，还需要注意以下几点：
数据准确性：确保所有输入数据的准确性，包括流体性质、流速、管道几何形状等。
模型适用性：根据具体的应用场景选择合适的数学模型和计算方法。
实验验证：在计算结果的基础上，进行必要的实验验证，以确保计算结果的准确性和可靠性。
