1选题的背景及意义

近几年，能源和环境等相关问题吸引了世界各国关注，每个国家都根据自身情况来解决这个问题。近几年，我国人均收入每年都以10%的速度增长，这加剧了能源的消耗，也使得生态环境更加恶化。各个国家更加注重能源的高效利用和新能源的开发。在机械、石油、食品、制药、化工、电力、纺织和冶金等行业换热器都有十分广泛的利用，换热器的换热效率的高低决定了工厂的能源是否能够被高效率的利用。近几年来通过新的节能方法的研究，产生了各式各样的换热器，缠绕管式换热器就在其列。

缠绕管式换热器是一种螺旋盘管型热交换设备，换热管道被一层一层缠绕后组成换热主体，采用逆流的换热形式，适用于两端温差较大的换热。螺旋缠绕管式换热器因其紧凑的构造，单元容积有相对较大的换热面积，传热管可自行补偿其自身热膨胀，可实现大型化，同时减少设备数量等优点成为低温甲醇洗、天然气液化、净化工艺、低温液氮洗、低温液化中的重要设备^[1]。螺旋缠绕管式换热器在可以有效增强换热效果，使热流和冷流充分换热，极大地减少了能量浪费。另外，换热器相邻层的换热管绕向相反，这种结构使得流体可以在较低的流速变成湍流，强化了传热，使管程的换热膜系数增加，再加上隔条等零件对壳程流体的扰动。通过上述三方面的作用，大大增强了螺旋缠绕管式换热器的传热效果^[2]。对一般的气-气换热器而言，传热系数约为75~365W/(m²#183;K)，但对螺旋缠绕管式换热器，总传热系数在某些特殊条件可达500 W/(m²#183;K)以上^[3]。

2螺旋缠绕管式换热器结构及换热机理

2.1螺旋缠绕管式换热器结构

如图1所示，螺旋缠绕管式换热器主体由芯筒、换热管和壳体构成。为了使得管侧流体的流场均匀分布，每根换热管的长度都相同。管内通几种不同的介质的热交换器称为多通道型缠绕管换热器；只通过一种介质的换热器称为单通道型缠绕管换热器。

各层缠绕管数量随着缠绕层数增多。层与层之间的换热管并没有达到标准的平行，而是存在一定的偏移。如图2所示，换热管每层间的距离从最小值a到最大值S_max变化。图中，d为换热管的外径，n为换热管轴向管间距，x为邻层相邻换热管轴向的相对间距，S为邻层相邻换热管之间的间距，a为邻层相邻换热管间的切向间距。为使以上这些参数保持稳定，就要使得越接近里层的换热管缠绕圈数越多^[4~7]。

在设计换热管时，控制螺旋升角的大小不变并且每根缠绕的换热管的长度都要严格相等，相邻的两层管子的缠绕方向是相反的，同层的管子匀称放置，从而组成了管束，而缠绕管束决定了换热器的结构尺寸。缠绕管束的外径和长度以及计算所需的流通面积决定了壳体的直径和高度。芯筒的外径由最内层热管的弯曲半径和计算所需的流通面积所决定^[8~10]。

2.2螺旋缠绕管式换热器的换热机理分析