螺旋板式換熱器結(jié)構(gòu)優(yōu)化及傳熱特性的研究

王繼政

（1.中煤科工集團(tuán)沈陽研究院有限公司，遼寧 撫順 113000；2.煤礦安全技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧 撫順 113122）

螺旋板式換熱器是現(xiàn)代工業(yè)領(lǐng)域的創(chuàng)新科技，具有良好的熱傳導(dǎo)特性，能夠滿足多個(gè)工業(yè)領(lǐng)域的基本納溪區(qū)，并且設(shè)備能夠?qū)崿F(xiàn)自我清潔、占地面積小等多種優(yōu)勢，成為現(xiàn)代工業(yè)機(jī)械設(shè)備領(lǐng)域的重要構(gòu)件。因此，螺旋板式換熱器成為行業(yè)內(nèi)重點(diǎn)研發(fā)的技術(shù)項(xiàng)目，持續(xù)提升換熱器熱傳導(dǎo)能力，成為設(shè)備升級的主要方向，引發(fā)一系列的探索和思考。

1 螺旋板式換熱器的主要性能

螺旋板式換熱器，是由瑞典的工業(yè)設(shè)備制造公司Rosenblad于1930年提出的新型換熱器材，具有極為顯著的熱傳導(dǎo)能力，并且設(shè)備具有自我清潔、排列合理等一系列優(yōu)勢，成為當(dāng)前熱傳導(dǎo)領(lǐng)域中的翹楚。通常，螺旋板式換熱器是由兩張鋼板，利用外部機(jī)械力進(jìn)行卷制加工而成，兩個(gè)鋼板之間形成固定的距離，起到一定的支撐作用，同時(shí)，還能夠?yàn)橐后w等熱源物質(zhì)提供有效的熱傳導(dǎo)環(huán)境，增加了熱量傳遞的效率?，F(xiàn)代科學(xué)家劉寶慶先生利用計(jì)算機(jī)流體力學(xué)以及熱力學(xué)軟件進(jìn)行分析，借助三維立體模型的有效創(chuàng)建，進(jìn)一步分析了換熱器高度、間距、流向等一系列參數(shù)的聯(lián)系和影響。螺旋板式換熱器，主要是實(shí)現(xiàn)熱量的快速傳遞，大多應(yīng)用于氣體對氣體、氣體對液體、液體對液體等不同類型物質(zhì)熱傳導(dǎo)目標(biāo)。良好的穩(wěn)定性以及高效的傳動成效是當(dāng)前熱傳導(dǎo)領(lǐng)域的不二首選。通常，基于螺旋板式換熱器功能特性，大多數(shù)研發(fā)企業(yè)在開展換熱器結(jié)構(gòu)研究時(shí)，將螺旋板式換熱器分為可拆卸螺旋板式換熱器以及不可拆卸螺旋板式換熱器，其中可拆卸又分為Ⅱ型、Ⅲ型。所有類型的板式換熱器，都要按照J(rèn)B/T4751-2003《螺旋板式換熱器》的要求和標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行使用，從而保證換熱器的性能能夠充分發(fā)揮，提高其實(shí)用價(jià)值。

2 螺旋板式換熱器的熱傳導(dǎo)結(jié)構(gòu)分析

由于螺旋板式換熱器是由兩張鋼板進(jìn)行加工制作而成，對應(yīng)的熱傳遞屬于逆流流動，因此在結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)過程中，要強(qiáng)化熱量交換的總體目標(biāo)，同時(shí)針對介質(zhì)的選擇，要調(diào)整對應(yīng)的溫差，確保理想傳熱目標(biāo)的有效達(dá)成。螺旋板式換熱器的殼體結(jié)構(gòu)，對應(yīng)的接管需要采用切向結(jié)構(gòu)模式，確保相應(yīng)的阻力得到有效的控制，并且螺旋通道的曲率要到達(dá)均勻狀態(tài)，當(dāng)液體經(jīng)過設(shè)備內(nèi)部時(shí)，需要保障液體的流經(jīng)阻力得到有效的控制，實(shí)現(xiàn)在標(biāo)準(zhǔn)流速范圍內(nèi)的有效熱傳播目標(biāo)。采用不可拆卸的螺旋板式換熱器，需要將螺旋通道的端面進(jìn)行焊接和密封，保持所有熱量的有效傳遞，避免出現(xiàn)熱量損失等問題。采用Ⅱ型拆式螺旋板式換熱器，需要預(yù)留一個(gè)通道進(jìn)行設(shè)備的清洗，并且采用具有一定黏性以及沉淀性的介質(zhì)進(jìn)行熱量交換。采用Ⅲ型拆式螺旋板式換熱器，需要預(yù)留兩個(gè)通道進(jìn)行設(shè)備的清潔工作，對應(yīng)的實(shí)用性更加顯著，能夠滿足多個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域的實(shí)際需求。螺旋板式換熱器的公稱壓力為0.6、1、1.6、2.5MPa，其試驗(yàn)壓力大多為工作壓力的1.25倍，對應(yīng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，需要滿足相應(yīng)的要求，材料的選擇，要符合介質(zhì)自身特點(diǎn)進(jìn)行合理搭配。特殊結(jié)構(gòu)的散熱材料，可以根據(jù)用戶需求進(jìn)行設(shè)定和分析。通常，螺旋板式換熱器設(shè)備結(jié)構(gòu)內(nèi)部溫度低于350℃，其升溫、降壓的應(yīng)用范圍需要進(jìn)行系統(tǒng)化的計(jì)算和分析，現(xiàn)代工藝領(lǐng)域，大多采用計(jì)算機(jī)以及熱力、壓力承載軟件進(jìn)行研究和判斷，對應(yīng)的公式和計(jì)算方法更加高效和簡單。人工計(jì)算由于存在一定的主觀性以及失誤性問題，已經(jīng)被全面取代。螺旋板式換熱器設(shè)備，在開展結(jié)構(gòu)分析時(shí)，需要考慮相應(yīng)的介質(zhì)，以及介質(zhì)流速、流量等一系列參數(shù)，從而為熱傳遞工作貢獻(xiàn)有效的助力。另外，螺旋板式換熱器設(shè)備的擺放位置以及運(yùn)行狀態(tài)，也是影響熱量傳遞的重要因素。特別是蒸汽冷凝時(shí)，需要將設(shè)備進(jìn)行立放。當(dāng)兩側(cè)通道流量較大時(shí)，需要采用不等距的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，以此對設(shè)備進(jìn)行優(yōu)化和升級。

3 螺旋板式換熱器設(shè)備結(jié)構(gòu)優(yōu)化建議

螺旋板式換熱器設(shè)備，在開展結(jié)構(gòu)優(yōu)化時(shí)，可以利用現(xiàn)代計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，對設(shè)備進(jìn)行三維模型的立體創(chuàng)建，能夠更加直觀和高效地開展設(shè)備的結(jié)構(gòu)優(yōu)化。一方面，利用ansys的拓?fù)鋬?yōu)化軟件，能夠?qū)崿F(xiàn)螺旋板式換熱器結(jié)構(gòu)的立體化分析，各個(gè)介質(zhì)的流經(jīng)界面以及熱量交換能夠快速進(jìn)行展現(xiàn)，結(jié)合現(xiàn)代熱力學(xué)計(jì)算公式，能夠快速得出同等結(jié)構(gòu)的熱量傳遞情況，另一方面，基于現(xiàn)代電子計(jì)算機(jī)的設(shè)計(jì)和加工，能夠?qū)崿F(xiàn)快速的計(jì)算成效，其熱量計(jì)算、結(jié)構(gòu)分析、承載力分析以及介質(zhì)動態(tài)等一系列參數(shù)，能夠快速顯示和說明，同時(shí)，對熱力損失以及可能存在的改進(jìn)位置提供必要的提醒和預(yù)警。因此，在開展螺旋板式換熱器設(shè)備結(jié)構(gòu)優(yōu)化時(shí)，首先，需要對結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軟件進(jìn)行充分了解，同時(shí)，針對結(jié)構(gòu)的優(yōu)化方向以及優(yōu)化舉措，需要進(jìn)一步明確，多路徑調(diào)控對應(yīng)的優(yōu)化方案。如螺旋板尺寸的調(diào)整、間距的調(diào)整，可以借助計(jì)算機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行諸多性能的分析和計(jì)算，任何一項(xiàng)系數(shù)的改變，都會產(chǎn)生一系列的關(guān)聯(lián)影響，甚至?xí)?dǎo)致熱傳導(dǎo)系數(shù)發(fā)生變化。不僅如此，在進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)，需要將實(shí)體的環(huán)境因素、多種介質(zhì)因素以及設(shè)備位置因素等一系列內(nèi)容進(jìn)行考量，防止一切可能變量對結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的干擾。在結(jié)構(gòu)優(yōu)化過程中，還需要兼顧熱量交換系數(shù)直接影響，防止出現(xiàn)本末倒置問題的產(chǎn)生。另外，為了進(jìn)一步提高螺旋板式換熱器設(shè)備熱量交換比例，可以參考流通界面與螺旋通道的函數(shù)關(guān)系進(jìn)行考慮和分析。在設(shè)計(jì)過程中，對于低熱能的有效回收，也是結(jié)構(gòu)優(yōu)化的考量重點(diǎn)，能夠進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)熱量的二次傳遞，降低熱量的損失和影響。最后，針對殼體的優(yōu)化設(shè)計(jì)，主要分析內(nèi)部管道的阻力系數(shù)，最大程度降低管道阻力帶來的影響，特別是在進(jìn)行大容量蒸汽以及液體的熱力交換工作中，需要降低流經(jīng)通道的阻力，提升介質(zhì)的傳遞效率和傳遞速度。

4 螺旋板式換熱器傳熱特性分析

螺旋板式換熱器設(shè)備，具有傳熱性能穩(wěn)定、設(shè)備自清潔、空間密封性良好等一系列優(yōu)勢，其傳熱特性與介質(zhì)材料、外部鋼材材料以及內(nèi)部結(jié)構(gòu)等一系列因素相關(guān)。首先，螺旋板式換熱器設(shè)備的傳熱特性，需要考慮介質(zhì)材料的影響，大多數(shù)熱傳導(dǎo)介質(zhì)是以水為標(biāo)準(zhǔn)，其1.8～3.5kW/m2的熱量傳遞能力，是其他介質(zhì)所不具備。因此，在水與水的熱量交換環(huán)境中，可以利用螺旋通道以及定距柱的設(shè)計(jì)進(jìn)行熱量傳遞分析，既能夠?qū)崿F(xiàn)對傳熱性能的提升和改善，同時(shí)，還能夠降低熱量的損失和影響。同時(shí)密閉結(jié)構(gòu)的內(nèi)部環(huán)境，能夠適用于具有劇毒、易燃、易爆等流體進(jìn)行熱量交換，降低相關(guān)材質(zhì)發(fā)生危險(xiǎn)的概率。其次，螺旋板式換熱器傳熱特性分析，還需要考慮設(shè)備內(nèi)部液體的流經(jīng)路線，以及路徑阻力。通常，在內(nèi)部結(jié)構(gòu)相對緊湊的設(shè)備中，其傳熱面積約為150m2，對應(yīng)的溫差需要控制在標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)，充分考慮同等面積下的熱量傳遞效率，并進(jìn)行有效的溫度控制。最后，螺旋板式換熱器的傳熱特性，需要考慮應(yīng)用材料的成本和造價(jià)，不少傳熱系數(shù)良好的材料，由于造價(jià)高昂，不適合設(shè)備的發(fā)展和需求，導(dǎo)致相關(guān)材料的后續(xù)檢修工作以及材料替換工作都存在一定的影響。因此，基于設(shè)備傳熱特性進(jìn)行分析，需要考量材料成本、傳遞效率以及傳遞介質(zhì)等因素的影響，保障設(shè)備能夠按照既定的設(shè)定進(jìn)行熱量傳遞。

5 結(jié)語

綜上所述，通過對螺旋板式換熱器的探索和分析，進(jìn)一步了解該設(shè)備的應(yīng)用價(jià)值和市場需求，同時(shí)，結(jié)合螺旋板式換熱器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，利用現(xiàn)代計(jì)算機(jī)設(shè)備以及應(yīng)用軟件進(jìn)行分析和研究，有序開展換熱器內(nèi)部結(jié)構(gòu)的優(yōu)化舉措，以現(xiàn)代工業(yè)技術(shù)為基礎(chǔ)，對材料熱傳導(dǎo)特性進(jìn)行深層的探索和研究，為熱傳遞領(lǐng)域的發(fā)展給予必要的支持和幫助。