一种已有几十年历史，但鲜为人知的热交换器为新的和新兴的应用提供了优势
螺旋管或螺旋螺旋热交换器已经存在了几十年，解决样品冷却，机械密封冷却，排气冷凝器，蒸发和一般加热或冷却要求。它们服务于小众或独特的应用，不像无处不在的壳管或垫片板式换热器那样广为人知或被理解。随着工程部门的更替和年轻工程师的进入，对螺旋管换热器的熟悉或认识的丧失是不可避免的。
在过去的几年里，新的传热要求完美地适合螺旋管热交换器。能量转变，涉及超临界流体传热的应用[1]及专注于清除或回收挥发性有机化合物排放[2]，仅举几个驱动因素，已经增加了需求，扩大了螺旋管换热器的应用范围。
这篇文章介绍了——或者对一些，重新介绍了——螺旋管热交换器，并提供了它们正在使用的新应用的概述，或为新兴或发展中市场指定的新应用，如氢经济，植物提取，压缩天然气系统，低温汽化和排气排放减少。
螺旋管换热器
图1所示。左边是一个螺旋管热交换器的爆炸视图。传热流体的流动路径如图所示
螺旋管热交换器由许多堆叠的螺旋螺旋管组成(图1)。每一端的螺旋管被焊接，焊接或钎焊成歧管或管道，允许流体进入和退出线圈。在热交换器的术语中，这被称为热交换器的管侧。线圈被放置在套管或外壳内，其中底板提供了一个密封的外壳，创建了外壳侧，或套管侧，允许流体进入并沿着暴露于线圈外部的通道流动，然后离开热交换区。
这样的配置有许多优点[3.]：
紧凑性。直管长度可达45英尺，是盘绕的，与相应的管壳式换热器相比，占地面积更小。这个属性对于热交换器集成在一个打包系统中是非常理想的。例如，一个螺旋管换热器380英尺2处理3000 psig工作压力的热交换面积占地5英尺× 4英尺× 4英尺。相比之下，管侧高压的管壳式换热器占地15英尺× 3英尺× 2英尺。管壳式换热器的15英尺管长导致集成复杂性，并增加了整个包装系统所需的占地面积约10英尺。
高压能力。线圈由圆柱形部分组成，具体来说，管和歧管，可以承受高的工作压力。5000 psi (345 bar)的压力是相当常规的，对于氢气应用，15,000 psi (1000 bar)的压力在经济上是可行的。这一特性非常适合超临界流体应用，因为超临界流体的工作压力很高，或者适用于氢燃料系统。
最大化LMTD。热侧和冷侧流体之间的流体流动方向是完全逆流的，因此消除了多道管壳式换热器的对数平均温差(LMTD)校正因子。当传热需要温度交叉时，更具体地说，当热侧冷却到冷侧流体出口温度以下时，这种属性是理想的。
温差大。盘绕的几何结构允许处理冷热侧流体之间的大温度变化。管侧低温是很常见的，例如液氮温度为-280华氏度，套管侧蒸汽温度为300华氏度。当壳管式换热器的热增长问题具有挑战性时，这种盘绕的几何特性非常适合
可拆卸的包。在大多数常见的井眼结构中，套管或壳侧可用于清洗或清除污垢沉积物。此外，线圈可以拆卸和容易更换。
建筑材料(MoC)．用于卷管换热器的MoC可与用于管壳式换热器的MoC相媲美，包括不锈钢，双相，铜，铜镍，钛，哈氏合金，铬镍合金和铬镍合金。外壳通常是铸铁，铸钢，加工钢或不锈钢。虽然任何材料，可以冷加工(轧制)和焊接可用于套管或壳侧。
高压应用
例如，当流体工作压力升高到750 psig以上时，螺旋管换热器就是一个理想的选择。新能源的应用，如氢燃料系统或远程天然气输送系统，创造了对这种类型的热交换器的新需求。同样，发展中市场，如超临界CO2对于植物提取或传统冷冻食品的耐用替代品，以及工业气体的成熟市场，如氦气系统，也需要这些专门的热交换器。
图2。三个螺旋管热交换器显示在这里(箭头)在一个Neuman & Esser氢气隔膜压缩机包
氢燃料系统。随着能源转型和对非化石运输燃料的探索，氢成为燃料电池电动汽车的首选燃料。美国汽车工程师协会标准SAE J2601规定了轻型车辆和公共汽车的加油站要求。车辆分配压力为10,000 psi (70 MPa)或5,000 psi (35 MPa)。这些都是非常高的压强。膜片压缩机用于增加氢气压力到所需的存储压力。压缩机是多级的，其中热交换器去除压缩热(图2)。压缩机内部冷却器和后冷却器使用螺旋管热交换器去除压缩产生的热。在如此高的工作压力下，为了系统集成，选择螺旋管交换器。氢压缩机级间冷却器的典型排热要求是在超临界压力为2000 psig的情况下，从300°F冷却到100°F，排出100 lb/h的氢。对于最后的压缩阶段，排热需求通常是相同的100lb /h超临界氢在10000 psig从250°F冷却到100°F。实际的质量流量会随着安装的不同而不同，根据压缩机的设计，级间和最终级的冷却要求也会不同。
螺旋管热交换器在氢气加气站的另一个用途是在氢气被分配到车辆之前进行预冷。例如，SAE J2601指的是T40或T30，这意味着分配系统分别在-40°C或-30°C向车辆输送氢气。温度是满足加料时间要求的必要条件。
氢有一种独特的热力学性质，它不同于除氦以外的大多数其他气体。大多数气体在通过控制阀时，会绝热膨胀到较低的压力，并经历温度的降低。由于氢气的焦耳-汤姆逊系数为负，加上加料系统的运行条件，当氢气流经流量控制阀并发生压力损失时，温度实际上是上升的。如果最终的温度上升没有被消除，它会影响车辆的充气时间。
氢预冷却器是用来消除压力下降引起的热量，通过一个流量控制阀在供应线的燃料分配器允许氢气进入车辆。这里的压力也很高，汽车的压力为10,000 psi，大型运输工具的压力为5,000 psi。对于J2601 T40燃料系统，去除要求通常是120°F氢冷却到-40°F(-40°C)。
开发压力为5000 psi或更高的热交换器设计，氢气在超临界状态下是不寻常的。
植物性的，耐储存的食物
超临界有限公司2压力在1075 psia以上，温度在88°F以上，是通过改变CO来分离精油的理想溶剂2压强和温度。为了精确控制萃取或分离过程，用热交换器加热超临界CO2在大约32°F到140°F的压力范围内4000到5000 psig。超临界CO溶剂化性能的优化2对分离高纯度植物油很重要。螺旋管热交换器可以经济地处理高压服务，提供可靠的出口温度，并紧凑地集成到提取系统包中(图3)2对4000到5000 psig的工作压力膜片或往复式压缩机使用。级间和末级压缩机冷却器采用螺旋管热交换器，压缩热被移除。
图3。一个螺旋管热交换器(蓝色)集成进Advance萃取系统的超临界二氧化碳植物萃取系统
一个新兴的市场涉及到超临界CO的使用2生产不需要冷冻、冷藏或冷藏的高质量食品。超临界有限公司2用于对可放置的食品进行消毒，从而消除对冷藏基础设施的要求，如冷藏拖拉机拖车、冷库仓库或杂货店冷藏食品展示。在此申请中，CO2压缩到4000到5000 psig，并应用螺旋管热交换器来消除压缩热。
压缩天然气系统
在偏远地区，天然气的基础设施和管道输送系统不存在，压缩天然气是拖车的位置。压力在4000 psig范围内的天然气由卡车拖车运送。然后减压系统降低天然气操作压力，供远程用户使用。螺旋管热交换器用于在减压前加热高压天然气，以在整个减压系统的绝热膨胀后保持可接受的工作温度。如前所述，这通常会导致天然气的冷却。例如，二叠纪盆地水力压裂场地可以通过使用柴油或柴油与天然气混合的双燃料发动机来提高钻机的经济性。在柴油价格高的时期，柴油/天然气混合双燃料，天然气取代了60-70%的柴油，大大提高了钻机的运行成本。水力压裂现场通常没有天然气分配系统，因此采用了“虚拟管道”，将高压压缩天然气用卡车运到一个偏远的地方，在那里减压系统降低压力，用于工业应用(图4)，例如双燃料发动机。此外，这种类型的“虚拟管道”可以作为燃料来源，在有限的管道容量和管道中断时进行峰值调整，或者在没有天然气管道基础设施的其他工业应用中使用。
图4。Broadwind重型制造公司压缩天然气减压系统中的螺旋管热交换器
同样，螺旋管热交换器也用于天然气价值链的压缩端。在Marcellus页岩组，在水力压裂过程中，天然气与页岩油共同生产。天然气可以被压缩到4000到5000 psig，用于压缩天然气加气站，在那里拖车卡车装满高压天然气。当气体被压缩时，压缩热必须被去除。螺旋管热交换器被应用作为压缩机级间和后冷却器，以降低4000 - 5000 psig气体压缩后的温度。
VOC或产品回收
图5。螺旋管换热器可以帮助降低VOC或产品回收对环境的影响。这里显示了三种不同的配置
减少化学品过程中有害或有价值的排放一直是环境管理和提高机组经济效益的首要任务。由于螺旋管换热器体积小，冷凝效果好，压力损失小，可以考虑采用螺旋管换热器。螺旋管交换器有三种用于排气或工艺冷凝的常见配置(图5)。一种低成本的选择是将线圈或管束安装在工艺容器内，以便工艺蒸汽和气体绕着线圈的外部流动，冷凝蒸汽回流到容器中。一个类似的，但更昂贵的选择是冷凝器安装在一个容器排出法兰。在这种情况下，工艺蒸汽和气体在线圈外部流动，冷凝可冷凝蒸汽。无论哪种情况，冷却剂都会在管内流动。这些类型的冷凝器的一个可取的方面是，它们直接安装在工艺容器上，以避免管道和相关的液压损失。
图6。这里显示的是低温冷却储罐冷凝器，它防止蒸汽释放到大气中
图6显示了一个低温冷却的储罐-排气冷凝器安装，以消除98%的二氯甲烷(CH2Cl2)在加注过程中或由于环境温度的变化而从储罐中排放或释放出CH的蒸汽2Cl2当储罐呼吸时。为满足98%的高回收率回收CH2Cl2，在-275°F时使用液氮作为冷却剂，以便将排气蒸汽冷却到-60°F。这样的低温提供了理想的消除CH的条件2Cl2从排气口，同时不冻结蒸汽到油管上。由于消除大部分排出蒸汽的重要性，使用美国环境保护署方法25A“用火焰电离分析仪测定气态有机总浓度”来验证排气冷凝器的性能。经证实，在排气量最大的储罐灌装作业中，螺旋管排气量冷凝器可回收98.8%的CH2Cl2通过将排气流冷却到-65华氏度。
另一种变化，通常被考虑为腐蚀性过程蒸汽或冷凝物的混相性是一个重要的设计元素，是当冷却剂在壳体一侧时，在管内发生冷凝。
排气或回流螺旋管冷凝器使用冷却剂，如液氮、冷冻甲醇、乙二醇、卤水溶液或低温传热流体。冷却剂的温度往往取决于工艺蒸汽、不凝性气体的数量和工艺蒸汽的目标排放水平。
温度梯度大
例如，工业气体应用涉及低温氮、氧或氦的汽化，涉及管道内流动的低温侧温度的大幅上升，以及热侧流体和低温侧之间的巨大温差[4］.
图7。这里显示的是冻干应用的温度-负荷图
连续管束结构非常适合大的温度变化和热梯度，因为热膨胀给管壳式换热器带来了机械设计上的挑战。例如，在冻干应用中(图7)，液氮在-295°F和100 psia温度下被加热到-282.7°F，此时氮等温吸收热量，液体从液态变为蒸汽。相变后，气态N2进一步加热到零下120华氏度。Syltherm XLT被冷却到-90°F，并返回到冷冻干燥机进行药物的低温脱水。
在这种应用中，螺旋管换热器的另一个特点突出。药品的加工是昂贵的，如果一个批次的温度控制不良，从而导致该批次的质量低劣而被丢弃。冻干过程在低温下进行，以使药品中的水分升华。用液氮作为冷却剂，用低温传热液作为控制液进行批量冷冻干燥(冻干)过程，管壁温度可以低于传热液的凝固点。一旦传热液开始结冰，温度控制就失去了，药品质量也因此受到影响。螺旋管式换热器的弯曲流道引起了冷管壁边界层的湍流和混合。这种乱流和混合有助于减少结冰或失控冻结，从而失去对温度的控制。
由杰拉尔德·安德雷编辑
参考文献
1.热交换器:超临界流体服务的设计，化学。Eng。2019年11月，第42-47页;可于www.graham-mfg.com/usr/pdf/techlibheattransfer/jrl_article_-_chemical_engrg_2019_supercritical.pdf．
2.线路，J.R.和史密斯，A.E，冷凝器控制和回收VOCs，化学。加工，2000年6月;可于www.graham-mfg.com/usr/pdf/techlibheattransfer/19.pdf．
3.线，詹姆斯，螺旋螺旋热交换器提供优势，在线在www.graham-mfg.com/usr/pdf/techlibheattransfer/14.pdf．
4.线，吉姆，你能降到多低?,化学。《处理》，2003年1月，第35-39页;可于www.graham-mfg.com/usr/pdf/techlibheattransfer/111.pdf．
作者
James R. Lines从Graham Corp. (20 Florence Ave.， Batavia，纽约州14020;电话:585-343-2216;传真:585-343-1097;电子邮件:jlines@graham-mfg.com)在服务37年后的2021年。他曾在公司担任工程、销售和综合管理的各种职务，并继续提供工程和管理咨询服务。莱恩斯拥有纽约州立大学布法罗分校的航空航天工程学士学位。