螺旋板式热交换器的特点及创新应用

螺旋板式热交换器的特点及创新应用

夏科

山东核电有限公司 山东海阳 265118

摘要：随着能源问题的日趋严重，世界各国已普遍把能源综合利用和节能放到十分重要的地位。我国自改革开放以来不断推出节能政策，近几年对高耗能特种设备的节能要求更加严格，并要求对其进行能效检测与评价。螺旋板式热交换器作为高耗能特种设备之一，因其传热效率高、不易结垢等优点，广泛应用于石化、制冷、污水处理等领域，其能效水平直接影响着各装置的整体能源利用效率。本文基于螺旋板式热交换器的特点及创新应用展开论述。

关键词：螺旋板式；热交换器的特点；创新应用

引言

螺旋型热交换器是化工、机械、医药等产业中重要的可热交换装置，其特点是体积小、效率高的传热、安装简单、清洁简单。斜夹具热交换的主要结构是在两个平行的长板上布置距离支撑，这些板由专用滚动活塞支撑和滚动。然后将两端锁定在一起，形成螺旋通道，在该通道中两个介质完全相反地交换。螺旋换热器分为三种型号:不可分离(560型)、阻塞(560型)和连续(560型)。斜应力变换器法计算的基本方程是从传热和比热公式导出的，主要包括热量、平均温差、传热系数和压降。以下是一个非相位特定换热器的工艺流程示例。

1螺旋板式热交换器的特点介绍

（1）传热效率高，螺旋板式热交换器的介质由于在螺旋通道内呈螺旋流动，介质在螺旋离心力作用下易发生湍流，强化了换热效率，且物料在内部呈全逆流流动，其换热效率为管壳式换热器的2－3倍，而且螺旋板式热交换器中的外表面积小，热量不宜损失。（2）自洁能力强，在螺旋板式热交换器中，由于介质走单一螺旋通道，流体形成湍流状态后泥沙等颗粒类杂物不宜沉积。对于螺旋板式热交换器在长期使用过程中形成的污垢，我们也可通过机械冲洗、蒸汽吹洗和化学清洗（如酸洗、碱洗）等方法进行处理，达到清洁通道的效果。（3）结构紧凑，由于螺旋板式热交换器的特殊结构形式，在同等换热面积上大大缩减换热器的体积，减少场地占用。一台直径1.6m、板宽1.5m的螺旋板式热交换器，其总换热面积可达到300㎡。螺旋板式热交换器单位体积的换热面积可达管壳式换热器的3－4倍。（4）温差应力小，螺旋板式热交换器有两个长的螺旋形通道，物料在此通道内流动使螺旋体受热或冷却后，螺旋板可如钟表内的发条，具有一定的弹性伸缩膨胀功能，而不会像管壳式换热器那样产生较大的温差应力。（5）制造简单，螺旋板式热交换器主要是由两张相平行的板卷制而成的，且多采用卷板制造，无拼接焊缝，质量更安全可靠。螺旋板式热交换器制造周期短，机械加工量少，材料的利用率高，价格也更低廉。（6）维修困难，尽管螺旋板式热交换器有上述诸多优点且不宜泄漏，但由于其结构形式的限制，一旦螺旋板式热交换器出现内部的泄漏，很难进行修理，往往只能整台设备报废，因此在选定螺旋板式热交换器时，需要慎重考虑介质特性和使用工况，合理选材、设计。

2螺旋板式热交换器传热与流动特性

螺旋板式热交换器作为热交换器的典型结构形式之一，广泛应用于煤化工、炼钢、制冷、污水处理等行业，适用于汽-汽、汽-液、液-液对流传热，蒸汽冷凝传热和液体蒸发传热，具有传热系数高，污垢热阻小等诸多优点。螺旋板式换热器的综合性能对石化、制冷等行业装置的能量综合利用与节能起到重要的作用。目前针对螺旋板式换热器的研究大多集中在结构设计、失效分析等方面，对其传热与流动特性及其影响因素的研究相对较少。采用数值模拟方法对螺旋板式换热器流道中添加螺旋形扰流体的工况进行数值模拟，分析了添加扰流柱对换热器流动换热特性的影响；基于火积耗散理论，分析了螺旋板式换热器运行过程中因传热和压降造成的火积耗散数与冷流体出口温度、流速的关系。（1）换热面积一定的螺旋板式热交换器，相同流速下当量直径较大时总换热系数相对较高，压力降相对较低。当量直径由19.7mm增加至37.9mm时，总传热系数相对增加9%，平均压力降相对降低45%。而定距柱密度由200个/m2增加至800个/m2时，总传热系数相对增加17%，压力降相对增加129%。关键结构参数对压力降的影响高于对总传热系数的影响。（2）冷流体进口温度的提高可增强对流换热效果，减小流体流动的阻力。当冷流体进口温度从18℃提高到30℃时，其总传热系数相对增加6%，而平均压力降相对降低5%。（3）基于试验数据对湍流状态下螺旋流的对流换热系数和压力降准则式进行了拟合并进行了试验验证，对流换热系数拟合公式的平均相对误差为5.4%，压力降拟合公式的平均相对误差为6.3%，均显著低于标准推荐公式的平均相对误差。拟合公式为螺旋板换热器的能效评价奠定了基础。

3螺旋板式热交换器能效评价

对螺旋板式热交换器能效指标的适用性进行了理论分析，并对螺旋板式热交换器能效指标的影响因素进行了实验研究，得到以下结论：１）Ｋ／Ｐ更适合对螺旋板式热交换器进行能效评价，该指标可综合表征螺旋板式热交换器的传热性能与流动阻力特性。２）螺旋板式热交换器的能效指标Ｋ／Ｐ受关键结构参数当量直径ｄｅ和定距柱密度ｎ影响显著，４台换热面积相近的样机能效水平差距较大，其能效水平的高低与换热面积无关。３）螺旋板式热交换器的能效指标Ｋ／Ｐ虽然受流速影响显著，均随流速的增加而降低，但４台样机能效指标的相对高低在各流速下具有较好的稳定性；４台样机的能效指标Ｋ／Ｐ受流体进口温度影响较小，且其能效指标的相对高低在不同进口温度下也具有较好的稳定性。４）提出了一套螺旋板式热交换器的能效评价方法，对２８５台典型结构的螺旋板式换热器的能效指标ＥＥＩ进行计算，并进行等级划分，即：１级能效最高，占整体的比例为２０％，对应ＥＥＩ≥１．４３；２级为中等水平，占整体的比例为６０％，对应１．４３＞ＥＥＩ≥０．８３；３级能效最低，占整体的比例为２０％，对应ＥＥＩ＜０．８３。通过压力降以及传热系数可以鲜明的看出换热器的能量传递效率、能量损失的大小以及换热器的传热性能及流体阻力特性。但是这类单一的评价指标不能纵向的评价判断传热性能，也就是不能全面的反映换热器的传热效果，往往会出现偏差，导致评价结果过于片面。从热力学的第一定律可以得知：对于一个封闭系统，从系统的初始状态到系统的最终状态，无论通过什么方式，其系统内能的增加量始终等于该系统在运动过程中对外界做的功和外界对系统所做功的代数和。如果以热力学第一定律为基础，获得换热器换热效率的理想值（可以采用加大流体的流量以及增大换热器的换热面积）。但是这种方法会使换热系统的压降、传热系数以及总换热量就会发生相应变化。也就是牵一发而动全身，所以这种评价指标很难对换热器的整体进行全面有效的评价。当然，由于该种方法简单方便，并且有一定的科学性，一直被广泛采用。

结束语

斜应力换热器实例计算进一步研究了此类换热器的传热、温差、传热系数和压降等重要数据，为类似热设计创建了参考档案。不锈钢螺纹换热器符合规定的技术规范，在生产环境中使用时具有成本效益。多年来，在设计阶段，我们对换热器有了更深入的了解，从而获得了斜热效率的更准确的概况，以便能够引入斜板换热器。

参考文献

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