缠绕管式换热器因其高传热效率、耐高压和紧凑结构，成为石油化工、LNG液化、核电等领域的核心设备。其性能高度依赖多个关键参数的协同优化。
一、结构参数
1. 管径
定义：单根换热管的直径(通常为Φ6~25mm)。
影响：
传热效率：小管径可增大比表面积，提升传热系数，但压降显著增加。
抗堵塞能力：小管径易被颗粒物堵塞，需结合介质洁净度选择。
典型应用：
Φ8~12mm：LNG液化(高洁净度介质)。
Φ15~20mm：炼油厂重油换热(含杂质介质)。
2. 螺旋角
定义：螺旋管束中心线与轴向的夹角(通常30°~45°)。
影响：
壳程流场：螺旋角越大，介质螺旋流动增强，湍流度提高(传热↑)，但流动阻力(压降↑)同步增加。
结构紧凑性：大螺旋角可减少设备直径，但管束层数增加。
优化建议：LNG液化装置常用40°~45°，平衡传热与压降。
3. 管程数
定义：介质在管束内的流动路径数量(单程、双程或多程)。
作用：
流量分配：多程设计可降低单管流量，减少压降。
温度控制：逆流/顺流布置影响对数平均温差(LMTD)。
二、流动与传热参数
1. 流量
定义：单位时间流经管程或壳程的介质体积(m³/h)或质量流量(kg/s)。
关键影响：
流速：流量决定流速，直接影响流动状态(层流/湍流)和传热系数。
流型匹配：两相流(如气液混合)需控制流量避免流型失稳(如段塞流)。
设计阈值：
管程流速：液体1~3 m/s，气体10~30 m/s。
壳程流速：液体0.5~1.5 m/s，气体5~15 m/s。
2. 压降(Pressure Drop)
定义：介质流经换热器后的压力损失(ΔP，单位kPa或bar)。
组成：
管程压降：摩擦压降(主导)+ 局部压降(弯头、进出口)。
壳程压降：管束绕流压降(占70%以上)+ 进出口损失。
计算公式(管程简化式)：
其中，摩擦系数f由Colebrook方程求解，ρ为密度，v为流速。
3. 传热系数(Heat Transfer Coefficient, HTC)
定义：单位温差下单位面积的传热量(W/(m²·K))。
管侧HTC：
壳侧HTC：
Bell-Delaware法：通过修正因子(Jc、Jl、Jb)计算复杂流场下的传热。
强化传热技术：
内翅片管：增加内表面积，HTC提升30%~50%。
螺旋槽管：诱导旋流，HTC提升20%~40%。
三、材料与耐久性参数
1. 材质选择
常用材料：
不锈钢(316L)：耐腐蚀，适用于一般化工介质。
钛合金(Gr.2)：耐海水、氯离子腐蚀，用于海洋工程。
哈氏合金(C276)：耐强酸、高温，用于硫酸回收装置。
选型依据：
介质腐蚀性、温度、压力及成本。
2. 污垢热阻
定义：污垢层导致的附加热阻(m²·K/W)。
影响因素：
介质成分(含颗粒物、易结垢离子如Ca²⁺)。
流速(低流速加剧污垢沉积)。
设计补偿：在清洁HTC基础上增加10%~20%的传热面积。
3. 疲劳寿命
定义：换热器在交变载荷(温度/压力波动)下的耐久周期。
关键指标：
热应力：管板与壳体因温差膨胀不均导致的应力。
振动疲劳：流体诱导振动(FIV)可能引发管束断裂。
增强措施：
设置膨胀节吸收热应力。
优化折流板间距(≤1.5倍管径)抑制振动。
四、运行监控参数
1. 温度分布
监测点：
管程/壳程进出口温度。
关键节点壁温(防止局部过热)。
异常诊断：
温度梯度突变：可能堵塞或结垢。
壁温超限：材质失效风险。
2. 压差趋势
监控意义：
压降持续上升：污垢积累或堵塞。
压降骤降：可能发生内漏(管束破裂)。
3. 振动与噪声
检测手段：
加速度传感器监测管束振动频率。
声发射技术捕捉微泄漏信号。
安全阈值：
振动速度≤8 mm/s(ISO 10816标准)。
