螺旋板式换热器结构优化及传热特性的研究

王继政

（1.中煤科工集团沈阳研究院有限公司，辽宁 抚顺 113000；2.煤矿安全技术国家重点实验室，辽宁 抚顺 113122）

螺旋板式换热器是现代工业领域的创新科技，具有良好的热传导特性，能够满足多个工业领域的基本纳溪区，并且设备能够实现自我清洁、占地面积小等多种优势，成为现代工业机械设备领域的重要构件。因此，螺旋板式换热器成为行业内重点研发的技术项目，持续提升换热器热传导能力，成为设备升级的主要方向，引发一系列的探索和思考。

1 螺旋板式换热器的主要性能

螺旋板式换热器，是由瑞典的工业设备制造公司Rosenblad于1930年提出的新型换热器材，具有极为显著的热传导能力，并且设备具有自我清洁、排列合理等一系列优势，成为当前热传导领域中的翘楚。通常，螺旋板式换热器是由两张钢板，利用外部机械力进行卷制加工而成，两个钢板之间形成固定的距离，起到一定的支撑作用，同时，还能够为液体等热源物质提供有效的热传导环境，增加了热量传递的效率。现代科学家刘宝庆先生利用计算机流体力学以及热力学软件进行分析，借助三维立体模型的有效创建，进一步分析了换热器高度、间距、流向等一系列参数的联系和影响。螺旋板式换热器，主要是实现热量的快速传递，大多应用于气体对气体、气体对液体、液体对液体等不同类型物质热传导目标。良好的稳定性以及高效的传动成效是当前热传导领域的不二首选。通常，基于螺旋板式换热器功能特性，大多数研发企业在开展换热器结构研究时，将螺旋板式换热器分为可拆卸螺旋板式换热器以及不可拆卸螺旋板式换热器，其中可拆卸又分为Ⅱ型、Ⅲ型。所有类型的板式换热器，都要按照JB/T4751-2003《螺旋板式换热器》的要求和标准进行使用，从而保证换热器的性能能够充分发挥，提高其实用价值。

2 螺旋板式换热器的热传导结构分析

由于螺旋板式换热器是由两张钢板进行加工制作而成，对应的热传递属于逆流流动，因此在结构的设计过程中，要强化热量交换的总体目标，同时针对介质的选择，要调整对应的温差，确保理想传热目标的有效达成。螺旋板式换热器的壳体结构，对应的接管需要采用切向结构模式，确保相应的阻力得到有效的控制，并且螺旋通道的曲率要到达均匀状态，当液体经过设备内部时，需要保障液体的流经阻力得到有效的控制，实现在标准流速范围内的有效热传播目标。采用不可拆卸的螺旋板式换热器，需要将螺旋通道的端面进行焊接和密封，保持所有热量的有效传递，避免出现热量损失等问题。采用Ⅱ型拆式螺旋板式换热器，需要预留一个通道进行设备的清洗，并且采用具有一定黏性以及沉淀性的介质进行热量交换。采用Ⅲ型拆式螺旋板式换热器，需要预留两个通道进行设备的清洁工作，对应的实用性更加显著，能够满足多个应用领域的实际需求。螺旋板式换热器的公称压力为0.6、1、1.6、2.5MPa，其试验压力大多为工作压力的1.25倍，对应的结构设计，需要满足相应的要求，材料的选择，要符合介质自身特点进行合理搭配。特殊结构的散热材料，可以根据用户需求进行设定和分析。通常，螺旋板式换热器设备结构内部温度低于350℃，其升温、降压的应用范围需要进行系统化的计算和分析，现代工艺领域，大多采用计算机以及热力、压力承载软件进行研究和判断，对应的公式和计算方法更加高效和简单。人工计算由于存在一定的主观性以及失误性问题，已经被全面取代。螺旋板式换热器设备，在开展结构分析时，需要考虑相应的介质，以及介质流速、流量等一系列参数，从而为热传递工作贡献有效的助力。另外，螺旋板式换热器设备的摆放位置以及运行状态，也是影响热量传递的重要因素。特别是蒸汽冷凝时，需要将设备进行立放。当两侧通道流量较大时，需要采用不等距的结构设计，以此对设备进行优化和升级。

3 螺旋板式换热器设备结构优化建议

螺旋板式换热器设备，在开展结构优化时，可以利用现代计算机系统，对设备进行三维模型的立体创建，能够更加直观和高效地开展设备的结构优化。一方面，利用ansys的拓扑优化软件，能够实现螺旋板式换热器结构的立体化分析，各个介质的流经界面以及热量交换能够快速进行展现，结合现代热力学计算公式，能够快速得出同等结构的热量传递情况，另一方面，基于现代电子计算机的设计和加工，能够实现快速的计算成效，其热量计算、结构分析、承载力分析以及介质动态等一系列参数，能够快速显示和说明，同时，对热力损失以及可能存在的改进位置提供必要的提醒和预警。因此，在开展螺旋板式换热器设备结构优化时，首先，需要对结构设计软件进行充分了解，同时，针对结构的优化方向以及优化举措，需要进一步明确，多路径调控对应的优化方案。如螺旋板尺寸的调整、间距的调整，可以借助计算机系统进行诸多性能的分析和计算，任何一项系数的改变，都会产生一系列的关联影响，甚至会导致热传导系数发生变化。不仅如此，在进行优化设计时，需要将实体的环境因素、多种介质因素以及设备位置因素等一系列内容进行考量，防止一切可能变量对结构设计的干扰。在结构优化过程中，还需要兼顾热量交换系数直接影响，防止出现本末倒置问题的产生。另外，为了进一步提高螺旋板式换热器设备热量交换比例，可以参考流通界面与螺旋通道的函数关系进行考虑和分析。在设计过程中，对于低热能的有效回收，也是结构优化的考量重点，能够进一步实现热量的二次传递，降低热量的损失和影响。最后，针对壳体的优化设计，主要分析内部管道的阻力系数，最大程度降低管道阻力带来的影响，特别是在进行大容量蒸汽以及液体的热力交换工作中，需要降低流经通道的阻力，提升介质的传递效率和传递速度。

4 螺旋板式换热器传热特性分析

螺旋板式换热器设备，具有传热性能稳定、设备自清洁、空间密封性良好等一系列优势，其传热特性与介质材料、外部钢材材料以及内部结构等一系列因素相关。首先，螺旋板式换热器设备的传热特性，需要考虑介质材料的影响，大多数热传导介质是以水为标准，其1.8～3.5kW/m2的热量传递能力，是其他介质所不具备。因此，在水与水的热量交换环境中，可以利用螺旋通道以及定距柱的设计进行热量传递分析，既能够实现对传热性能的提升和改善，同时，还能够降低热量的损失和影响。同时密闭结构的内部环境，能够适用于具有剧毒、易燃、易爆等流体进行热量交换，降低相关材质发生危险的概率。其次，螺旋板式换热器传热特性分析，还需要考虑设备内部液体的流经路线，以及路径阻力。通常，在内部结构相对紧凑的设备中，其传热面积约为150m2，对应的温差需要控制在标准范围内，充分考虑同等面积下的热量传递效率，并进行有效的温度控制。最后，螺旋板式换热器的传热特性，需要考虑应用材料的成本和造价，不少传热系数良好的材料，由于造价高昂，不适合设备的发展和需求，导致相关材料的后续检修工作以及材料替换工作都存在一定的影响。因此，基于设备传热特性进行分析，需要考量材料成本、传递效率以及传递介质等因素的影响，保障设备能够按照既定的设定进行热量传递。

5 结语

综上所述，通过对螺旋板式换热器的探索和分析，进一步了解该设备的应用价值和市场需求，同时，结合螺旋板式换热器的结构特点，利用现代计算机设备以及应用软件进行分析和研究，有序开展换热器内部结构的优化举措，以现代工业技术为基础，对材料热传导特性进行深层的探索和研究，为热传递领域的发展给予必要的支持和帮助。