螺旋板式热交换器传热与流动特性试验研究

（合肥通用机械研究院有限公司 传热技术与装备研究所，合肥 230031）

符号说明：

α——对流换热系数，W/（m2·℃）；

de——当量直径，mm；

Dm——螺旋通道的平均直径，mm；

λ——介质的导热系数，W/（m·℃）；

Re——雷诺数；

Pr——普朗特数；

ρ——密度，kg/m3；

u——流速，m/s；

μ——黏度，Pa·s；

cp——定压比热容，J/（kg·℃）；

ΔP——压力降，Pa；

n——定距柱密度，个/m2；

L——流道长度，m；

l——定距柱间距，m；

d——定距柱直径，m；

K——总传热系数，W/（m2·℃）。

0 引言

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［1-5］。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［6］。

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［7-10］，对其传热与流动特性及其影响因素的研究相对较少。李越胜等［11］等采用周期流模型对螺旋板换热器流动与传热性能进行数值模拟，研究了定距柱排列参数及板间距对换热器性能的影响；Nguyen等［12］等研究了壁面热传导与传热效率之间的关系，认为选择合适的螺旋板材料可显著提高螺旋板热交换器的整体传热性能；程友良等［13］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；蔡飞等［14］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。林玉娟等［15］对螺旋板式换热器高黏性介质的传热特性进行了数值模拟，分析了不同黏度流体对螺旋板式换热器传热性能的影响。

本文基于理论分析确定影响螺旋板式热交换器传热与流动的关键因素，通过试验的方法，研究各关键因素对螺旋通道内流体的传热与流动性能影响规律，并基于试验数据对螺旋流的对流换热系数和压力降的准则式进行拟合，以期为螺旋板式热交换器的能效评价及预测提供更准确的指导。

1 传热与流动特性影响因素分析

螺旋板式换热器常见的结构为两侧均为螺旋流的形式，其简图如图1所示，冷热流体分别沿着螺旋通道进行逆流换热。湍流状态下，其对流换热系数的常用计算公式为［14］：

从该计算式可看出，螺旋通道的对流换热系数是在圆形直管对流换热系数计算公式的基础上，增加了修正项（1+3.54de/Dm），对螺旋矩形通道的影响进行了修正，因而从基准公式可看出，影响对流换热系数的主要参数包括当量直径de、雷诺数Re以及普朗特数Pr。而影响雷诺数的因素包括几何参数当量直径de，流动参数流速u和物性参数μ；影响普朗特数Pr的参数均为物性参数。由于物性参数主要受介质、温度与压力影响，当介质一定时，且压力变化不大时，物性参数主要受温度影响。

图1 螺旋板式换热器结构示意

湍流状态下螺旋流的压降计算公式为［16］：

该计算式中，第一项为空的弯曲通道的阻力，第二项为定距柱的影响，第三项为进出口的局部阻力之和。影响螺旋流压力降的主要参数包括结构参数当量直径de、螺旋通道长度L和定距柱密度n，流动参数流速u及相关物性参数。由于在螺旋通道流动阻力中，局部阻力占比较小，其总阻力与流动长度L近似成正比关系，因而通常研究螺旋通道单位长度上的流动阻力，即可消除几何尺寸L的影响。

综上所述，影响螺旋板式热交换器流动与传热特性的主要因素为结构参数当量直径de、定距柱密度n，热工参数流速u及温度T等。

2 试验研究

2.1 试验样机

为了研究结构参数与热工参数对螺旋板式热交换器传热与流动特性的影响规律，本文设计并制造了4台样机，4台样机参数见表1。1#，3#，4#样机定距柱密度均为200个/m2，当量直径分别为19.7，30.9，37.9mm，对3台样机进行试验，研究当量直径对传热与流动特性的影响；2#，3#样机当量直径接近，定距柱密度相差4倍，对2#，3#样机进行试验，研究定距柱密度的影响。

表1 螺旋板式热交换器样机结构参数

2.2 试验装置及方法

试验装置如图2所示。冷水罐的冷流体（冷水）通过泵输送至样机冷侧通道入口，热水罐的热流体（热水）通过加热器加热至目标温度后输送至热侧通道入口，冷、热流体在样机内进行逆流换热，冷流体被加热，热流体被冷却。冷流体被加热后，被送入冷却塔进行冷却降温，再返回冷水罐；热流体被冷却后，直接返回热水罐。当需要调节冷却水温度时，可通过调节冷流体出口端的旁路阀门，与进口端冷流体进行混合，调至目标温度。冷、热流体的进、出口侧均设有温度计和压差变送器，冷、热流体的进口侧均设置了流量计和调节阀，以调节两侧流体的流量。

为了研究结构参数与热工参数对螺旋板式换热器传热与流动特性的影响，分别对4台样机进行了流速从0.3～1.2 m/s，间隔0.1 m/s，冷流体进口温度为18℃和30℃的共80组试验。

图2 试验系统简图

3 试验结果与讨论

3.1 结构参数对螺旋板热交换器传热与流动特性的影响

以冷流体进口温度为18 ℃，热流体进口温度为50 ℃例，对4台样机冷热流体的总传热系数及压力降进行分析。如图3所示，4台换热面积近似的样机，当定距柱密度相同时（对比n=200个/m2，de=19.7，30.9，37.9 mm的3台样机的K曲线），当量直径de=19.7 mm的样机总传热系数K最小，各流速下的平均值为1 788 W/（m2·℃），当量直径de=37.9 mm的样机总传热系数K最大，各流速下的平均值为1 947 W/（m2·℃），相对增加9%。因而对于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。对比de=27.3 mm、n=800个/m2和de=30.9 mm、n=200个/m2的2台样机的总换热系数K，其平均值为分别为2 177，1 859 W/（m2·℃），2#样机定距柱密度增加后，其平均总传热系数相对3#样机增加了17%。

图3 不同结构下总传热系数随流速变化关系

图4 不同结构下压力降随流速变化关系

3.2 冷流体进口温度对螺旋板热交换器传热与流动特性的影响

以de=19.7 mm，n=200 个/m2的样机为例，分析冷流体进口温度对螺旋板换热器总传热系数和压力降的影响。图5和6分别示出不同进口温度下总传热系数K和压力降随流速变化关系，从图中可以看出，当冷流体进口温度从18 ℃提高到30 ℃时，其总传热系数整体提高，平均值由1 788 W/（m2·℃）增加至 1 902 W/（m2·℃），相对增加6%；而其平均压力降从2 719 Pa/s降到2 580 Pa/s，相对降低5%。冷流体温度增加有助于提高总传热系数，同时由于流体温度的升高，导致流体黏度降低，使得因黏性力导致的流动压力损失略有降低。

图5 不同进口温度下总传热系数随流速变化关系

图6 不同进口温度下压力降随流速变化关系

3.3 基于试验数据的对流换热系数及压力降准则式拟合

3.1节中的研究结果表明，定距柱密度对螺旋流的对流换热具有显著影响，而湍流状态下螺旋流的对流换热系数的标准推荐计算式（1）并未考虑定距柱密度的影响，与试验结果相比，该公式计算值显著偏低，造成换热面积的过度浪费，不利于节能。基于4台样机的80组试验数据，对湍流状态下，螺旋流的对流换热系数进行拟合，结果为：

其中，流体被加热时m=0.4，流体被冷却时m=0.3。

该公式引入了螺旋矩形通道、定距柱密度影响的修正项。采用不同工况下的试验数据对拟合公式进行验证，并与式（1）进行比较，结果如图7所示。拟合公式预测值与试验值的相对偏差范围为（-15.7%，+7.8%），偏差绝对值的平均值为5.4%；式（1）的预测值与试验值的相对偏差范围为（-51.9%，-25.5%），偏差绝对值的平均值为40.6%。拟合公式的准确度显著高于式（1），可为螺旋板换热器的能效评价提供更准确的指导。

基于试验数据对螺旋流的压力降公式也进行了拟合，结果为：

图7 对流换热系数预测值与试验值对比

图8 压力降预测值与试验值对比

采用不同工况下的试验数据对拟合公式进行验证，如图8所示，结果表明拟合公式预测值与试验值的相对偏差范围为（-15.8%，+20.7%），偏差绝对值的平均值为6.3%；式（2）的预测值与试验值的相对偏差范围为（-49.2%，+29.1%），偏差绝对值的平均值为18.0%。拟合公式的准确度显著高于式（3），可更准确的指导螺旋板换热器的能效评价。

4 结论

（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19.7 mm增加至37.9 mm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。