在液化天然气、空分装置、氢能储运等工况领域，传统管壳式换热器因体积庞大、耐压能力有限而难以满足需求，而绕管式换热器凭借其的螺旋缠绕管束结构与高压适应性，成为深冷、高压、大温差场景的核心传热设备。作为紧凑型换热器的代表，绕管式换热器通过多层螺旋管束与壳程流体的高效逆流传热，在相同换热量下体积较传统管壳式减少40%~60%，同时可承受15~30MPa的超高压环境，是能源与化工领域实现设备小型化、高能效化的关键技术突破。
一、定义与核心特征
1.1基本定义
绕管式换热器是一种由多层螺旋缠绕的细管束构成管程、壳程流体沿轴向流动的高效换热设备。其核心设计理念是通过螺旋缠绕增加单位体积内的传热面积，并利用管束自紧效应提升承压能力。
1.2技术优势
高压耐受性：螺旋缠绕产生的预应力可抵消管内外压差，最高承压达30MPa。
深冷适应性：管束采用低温钢或铝合金，-196℃下仍保持韧性。
自清洁能力：螺旋流道抑制结垢，维护周期延长2~3倍。
热补偿性能：管束自由端可轴向伸缩，避免温差应力集中。
二、结构解析与传热机理
2.1典型结构分解
芯筒：碳钢或不锈钢圆筒，作为管束缠绕基准，直径200~800mm。
螺旋管束：多组细管按15°~30°螺旋角分层缠绕，层间填充定距条。
壳体：高压厚壁筒体，与管束间形成壳程流道，内壁可设导流筒。
管箱：集流管采用多孔锻件，实现管程介质均布。
支撑结构：端部管板与环形支撑圈固定管束，防止振动疲劳。
2.2流体动力学特性
壳程流态：螺旋流道诱导流体旋转，增强湍流度，传热系数提升20%~40%。
管程流态：小管径实现高流速，抑制层流底层热阻。
2.3传热强化机制
逆流主导：管程与壳程逆向流动，对数平均温差大化。
二次流效应：螺旋曲率诱发Dean涡流，强化边界层扰动。
高密度传热面：通过多层缠绕与密排管束，单位体积传热面积达管壳式3倍以上。
三、制造工艺与质量控制
3.1核心制造流程
管束预成型：
细管经矫直、酸洗后，在芯筒上螺旋缠绕，层间铺设铜制定距条。
缠绕张力控制，确保管束层间紧密贴合。
管束固定：
端部采用环形锻件+电子束焊接，形成整体管束模块。
液压胀管使管束与芯筒贴合。
壳体组装：
厚壁筒体卷制+纵缝焊接，内壁堆焊耐蚀层。
管束整体吊装入壳，两端法兰螺栓预紧。
3.2特殊工艺要求
深冷处理：管束在液氮中冷却至-196℃，释放缠绕残余应力。
氦检漏测试：管程充氦至设计压力，质谱仪检测泄漏率<1×10⁻⁹mbar·L/s。
流阻测试：壳程水循环测试，压降偏差≤5%。
3.3数字化制造技术
缠绕数控系统：6轴机器人同步控制管材送进与芯筒旋转，定位精度±0.1mm。
AI工艺优化：基于历史数据训练神经网络，预测理想缠绕张力与速度组合。
