螺旋折流板换热器的研究与应用进展

鲁佳　田雅婧　李鹏飞　黄伟　孙四中　张江云

摘 要 针对近年来螺旋折流板换热器在国内已取得的成果，从螺旋折流板的结构形式、布置形式等方面总结研究进展，并从螺旋折流板换热器设计、制造、应用等方面进行总结，为螺旋折流板换热器在核动力装置领域的研究与应用提供参考。

关键词 螺旋折流板 研究现状 应用进展 核动力装置

中图分类号 TQ051.5   文献标识码 A   文章编号 0254?6094（2023）02?0131?09

核动力装置中主要采用管壳式换热器实现热能交换，管壳式换热器强化传热是核动力装置紧凑化、小型化的重要研究方向，采用螺旋折流板结构是目前研究者认为强化管壳式换热器换热效果较好的方式之一［1］。螺旋折流板換热器是LUTCHA J等于20世纪90年代提出应用于核动力装置中的热交换器［2～5］，并于1994年由美国

ABB公司开发出系列产品。我国于1998年首次将螺旋折流板换热器应用于抚顺石油二厂炼油装置［1］。螺旋折流板换热器通过改变壳程折流板的结构或布置形式，使壳程工作介质呈螺旋或近似螺旋流动，这种螺旋流动是介于横向流动与纵向流动之间的一种特殊流动方式［6］，可避免壳程流体形成流动死区，强化壳程传热，使单位压降下的传热系数得到一定程度的提高［7］。

笔者针对近年来螺旋折流板换热器研究与应用在国内已取得的成果，从性能优化研究进展、设计制造研究进展、应用进展等方面进行调研、分析和总结，为螺旋折流板换热器在核动力装置领域的研究与应用提供参考。

1 研究现状

螺旋折流板换热器与常见的弓形折流板换热器结构类似，主要由管箱、壳体、传热管束、管板及折流板等组成。由于采用的折流板结构形式或布置形式不同，研究者提出了不同的研究内容。笔者根据螺旋折流板的结构形式或布置形式的不同进行分类，并按各类别进行文献调研、分析和总结，供研究者参考。

1.1 螺旋曲面连续性的研究

根据螺旋折流板所形成的螺旋曲面是否连续分为连续螺旋折流板［8］和非连续（搭接）螺旋折流板［9，10］。由于后文研究的螺旋折流板均为非连续螺旋折流板，因此，本节仅对连续螺旋折流板部分研究进行总结，结果见表1。由表1可总结出以下几点：

a. 螺旋折流板换热器的性能优于传统弓形折流板换热器的，这主要是因为连续螺旋折流板使工作介质在壳程内做螺旋柱塞状流动，流动均匀稳定，提高了换热性能；同时，螺旋柱塞状流动减小了流动“死区”，有利于抑制结垢，弱化了横向流动，有利于克服由横向流动掠管引起的流致振动。

b. 由于连续螺旋折流板换热器克服了非连续折流板因搭接形成的三角短路漏流区导致的实际流动偏离理想螺旋流动［11］，因此其性能优于后者的。

c. 由于受到连续螺旋折流板成型及钻孔等制造工艺的限制，大部分研究者采用数值模拟的研究方法，这也说明了螺旋折流板的制造工艺是其目前推广应用的瓶颈难点。

d. 由于壳程侧进侧出螺旋板换热器有利于形成螺旋流动［12］，其性能要优于正进正出结构的，此结论适用于所有结构的螺旋折流板换热器。

e. 带旁路挡板连续螺旋折流板壳侧换热系数和压降均提高，这主要是因为在旁路挡板作用下，流体变向后流经管束区，提高了壳程流体冲刷作用［13］。

1.2 螺旋角与螺距的研究

根据螺旋角是否变化分为定螺角螺旋折流板和变螺角螺旋折流板［16，17］。螺旋角的变化会引起螺距的变化，相关的研究总结见表2。

由表2可总结出以下几点：

a. 螺旋角越小，整个换热器内螺旋周期数越多，流道路径越长，在相同的流量下，流体在换热器中的湍动也会更加强烈，传热系数更高，同时压降也会增大。另外，小螺旋角还可减小管束无支持跨距，弱化流致振动的影响。

b. 变螺距或变螺旋角螺旋折流板利用折流板角度的组合变化，达到“疏导”漏流区的目的，减小三角区漏流对换热器综合性能的影响［16］，并且变螺距或变螺旋角螺旋折流板能够改善壳程进口螺旋流动的充分发展，增强壳程的整体螺旋流动，强化换热器传热［17］。

c. 目前部分文献存在将螺旋角、倾斜角混用，导致评价标准不统一的问题。李彦晴等提出当量螺旋角的概念，对于非连续螺旋折流板换热器，当量螺旋角为相同螺距下连续螺旋折流板外径处的倾斜角度，而对于连续螺旋折流板，当量螺旋角为折流板螺旋角；他们还认为对换热器性能起决定作用的是当量螺旋角［20］。

1.3 螺旋折流板搭接方式的研究

根据前后两块螺旋折流板搭接的相对位置可分为连续搭接螺旋折流板［23］、交错搭接螺旋折流板［10，24］和周向重叠螺旋折流板。连续搭接是指折流板外围点接触搭接（见1.1节）；交错搭接（轴向搭接）是指折流板直边交叉点接触搭接［23］；周向重叠螺旋折流板是指相邻两块折流板之间周向方向重叠搭接［19，25］。螺旋折流板搭接方式部分研究总结见表3。

螺旋折流板换热器的折流板首尾相连形成近似螺旋通道，使流体在离心力和向心力的共同作用下形成迪恩涡二次流，从而增强主流区域流体与靠近壁面流体的掺混，实现强化传热［29］。连续搭接使相邻两张椭圆形或扇形平板搭接存在三角间隙，流体在间隙内形成三角漏流区。交错搭接使相邻两张椭圆形或扇形平板搭接在靠近壳体中心的三角区和靠近壳体边缘的三角区，形成X形漏流区［10］；中心三角区和边缘三角区对壳侧换热系数和阻力的影响不同，且随着搭接量而变化［24］。周向重叠搭接使相邻折流板的周向重叠区穿过同一排管子，可对相邻折流板三角区通道压差泄漏形成阻尼作用，从而抑制逆向漏流实现强化传热；另外，周向重叠三分螺旋折流板更加适合正三角形排列布管方案［30］。董聪等在分析相邻折流板三角区的泄漏方向时指出，折流板轴向搭接方案开启了通向下游的捷径，对绕行的主流不利，并通过多次试验证明交错搭接方案的性能不如具有同样倾斜角且折流板总数较少的相邻折流板在外圈连接的非轴向搭接方案［28］。

1.4 螺旋数量的研究

螺旋折流板按照壳程空间划分螺旋数量分为单螺旋折流板［23，31］、双螺旋折流板［23，31，32］和三螺旋折流板［30］。螺旋数量部分研究总结见表4。

壳程空间划分螺旋数量越多，壳侧换热系数、压降、综合性能相对越高，这主要有3个原因：

a. 多螺旋折流板结构将壳程分成多个流道，多股流体同时绕流管束，具有更强的导流作用［31］；

b. 单个螺距内，多螺旋折流板的倾斜角度要小于少螺旋结构的，且布置折流板的数量也要多［33］；

c. 多螺旋折流板结构较少螺旋折流板结构能更好地封堵三角漏流区域，减小漏流区域［32］。

多螺旋空间可布置更多的螺旋折流板，更有利于防止管束由于跨距过长而产生振动［31］。但同时，多螺旋折流板增加了螺旋折流板的数量，增大了螺旋折流板与管束的组装难度。

1.5 单片螺旋折流板大小的研究

根据单个螺距内布置螺旋折流板的片数分为两分螺旋折流板［35］、三分螺旋折流板［36］、四分螺旋折流板［37］和六分螺旋折流板［38］。螺旋折流板大小部分研究结果见表5。

目前，研究者开展的两分（旋梯式）螺旋折流板、三分螺旋折流板、四分螺旋折流板、六分螺旋折流板研究工作，均得出性能优于弓形折流板的结论，主要原因是在结构设计过程中减小了螺旋流在折流板搭接区域的三角漏流区，改善了旋流特性，提高了强化效果。但是，很少有研究者针对相同参数条件下螺旋板大小对换热器性能以及螺旋折流板装配、安装的影响进行研究。

1.6 螺旋折流板板面成形结构的研究

根据单块螺旋折流板板面成形结构形式可以分为扇形螺旋折流板［38］（平面式螺旋折流板）、旋梯式螺旋折流板［35，39，40］、折面螺旋折流板［41］和阶梯式螺旋折流板［42］。平面式螺旋折流板一般呈扇形结构，1.2节中的折流板均为平面式螺旋折流板；旋梯式螺旋折流板由平板折弯后形成两个与管束垂直的平面和一个与管束呈一定夹角的平面［40］；折面螺旋折流板是旋梯式螺旋折流板的特殊情况［41］；阶梯式螺旋折流板是由分别与管束平行和垂直的平板交替搭接形成的螺旋折流板［42］。

螺旋折流板板面成形结构部分研究总结见表6。

由表6可总结出以下几点：

a. 旋梯式、阶梯式螺旋折流板封闭了三角泄漏区，增加了螺旋流量，壳程流体的切、径向速度明显增加，切向速度产生离心力，在离心力作用下形成径向二次流，增加了流体扰动幅度，使边界层减薄；径向速度迫使流体往管束中心流动，而此处有效换热面积大，从而强化了换热器壳侧传热性能［35，39］。

b. 旋梯式、阶梯式螺旋折流板封闭了三角泄漏区，引起壳侧压降增加，但由压降增加引起的泵耗功率的增大幅度较小［35，39］。

c. 对于旋梯式螺旋折流板，折弯度越小，综合性能越高，且随着切割百分数的减小或折弯角的增大，综合性能先增强后减弱［40］。

d. 旋梯式、阶梯式螺旋折流板较扇形螺旋折流板，具有折定位、钻孔方便简单等优点［35，39］。

1.7 螺旋折流板换热器设计计算的研究

螺旋折流板换热器基本结构仍为管壳式换热器，但其折流板结构改变了传统管壳式换热器的壳程流动特性，其设计计算没有统一的标准规范，研究者们针对螺旋折流板换热器的设计计算做了一些研究工作。

张剑飞等介绍了螺旋折流板换热器的热力设计方法，并选用一台实际应用的螺旋折流板油冷器进行实验测试，证明了所提热力设计方法可以基本满足工业设计的初步要求［44］。陈贵冬等通过对比连续螺旋折流板换热器与弓形折流板换热器经验关联式，提出一种基于最大流速比的连续螺旋折流板换热器热力设计方法，并以油冷器、干式蒸发器两个设计实例的测试验证了该设计方法的可靠性［45］。伍美和胡大鹏提出基于微分法的多管程螺旋折流板换热器分段传热算法，并编制程序软件，为螺旋折流板换热器的热工水力设计计算提供了参考［46］。常佳等对比分析了螺旋折流板换热器数值模拟结果和工程半经验算法的计算结果，认为工程半经验算法得到的传热系数偏低［47］。徐荣介绍了用于螺旋折流板换热器设计和校核的热力设计方法［48］。刘朋标和朱为明开发了辅助HTRI软件的螺旋折流板换热器工艺计算程序［49］。王密等利用HTRI软件对螺旋折流板换热器进行设计，考察了多种变量对螺旋折流板换热器的影响［27］。王凤林等给出了螺旋折流板换热器的结构设计以及相关尺寸计算方法［50］。

1.8 螺旋折流板换热器制造技术的研究

螺旋折流板换热器改变了传统管壳式换热器的壳程结构，但是螺旋折流板难以加工是螺旋折流板换热器阻碍螺旋折流板热交换器普及应用的最大因素之一，为此研究者们针对螺旋折流板换热器开展了一些研究工作。

宋素芳介绍了非连续和连续螺旋折流板换热器的制造技术，并且详细介绍了非连续螺旋折流板的下料、制作胎具及钻孔接行，对连续折流板两种制造方法进行了说明和比较，可以更好地促进螺旋折流板换热器的研究和制造［51］。王晨等利用空间几何关系，推导出了3种螺旋折流板的边长、夹角以及连续和交错搭接时螺距的计算公式，并介绍了螺旋折流板管孔和外圆的加工方法以及管束的组装工序［52］。杨继宏和郭传东分析并介绍了螺旋折流板的加工方法，设计了螺旋折流板加工所用的平台劃线、钻孔和立车3种专用工装［53］。陈亚平和吴嘉峰介绍了一种螺旋折流板热交换器扇形折流板激光切割加工的新方法，该方法基于任何倾斜平面与圆柱面的相贯线是椭圆的原理［54］。金跃等介绍了连续型螺旋折流板式换热器折流板冲压、钻孔、车削、立架子组对及穿管工艺等［55］。

2 螺旋折流板换热器的工程应用进展

李豪介绍了连续螺旋折流板在某纯碱企业重碱车间压缩机末冷却器的应用情况，运行情况表明，与改造前弓形折流板相比，压降减少约30%，降低了压缩机的输送动力和运行费用；减少了壳侧污垢沉积，设备清洗周期延长1～2年；设备制造费用增加了不到30%［56］。

张智等介绍了某石化设备制造厂制造推广应用的螺旋折流板换热器在炼化领域的应用情况，分析数据表明，产品主要应用在炼油、乙烯、化肥及公用工程等领域，设备的分布直径为400～2 500 mm，运行参数达到400 ℃以上和高压范围，换热类型分为无相变和冷凝类，换热介质包括气体、气体冷凝、液体等，换热管有光管、各种高效管等。螺旋折流板换热器对于原油、渣油等粘稠性介质的换热强化和减缓结垢作用明显，在常减压装置的应用比例达到50%以上［57］。

胡登艳介绍了螺旋折流板换热器在微正压原稳中的应用情况，结果表明与原弓形折流板换热器相比，螺旋折流板换热器安装后日均多处理原油1 318 t，日均轻烃产量多26 t，日均耗气量减少1 223.7 m3，吨烃耗气量减少7.97 m3，吨油耗气量减少0.66 m3，且壳程系统压降减少了0.37 MPa，稳前原油温差提高16.6 ℃，稳后原油温差提高36.6 ℃，换热效率明显提高［58］。

徐荣介绍了螺旋折流板换热器在微正压原稳中的改造应用情况，结果表明，改造后系统压力降低31.25%，出口温度提高6.78%～27.00%，在运行一个周期后，管束基本无结垢现象，腐蚀较小［48］。

3 结论

3.1 大量数值模拟计算和试验研究表明，螺旋折流板换热器的综合性能明显优于传统弓形折流板换热器，具有很好的应用前景。

3.2 目前针对螺旋折流板换热器的研究主要集中于螺旋折流板的结构形状或布置形式以及强化传热机理。

3.3 螺旋折流板换热器壳侧热工水力计算是螺旋折流板换热器设计的关键，目前与此相关的研究工作较少，仍需进一步以数值模拟与实验分析相结合的方式开展研究。

3.4 针对螺旋折流板换热器的制造，目前主要针对折流板成形、钻孔、换热管穿管等开展研究工作，在今后的研究中，这些仍将是螺旋折流板换热器推广应用瓶颈技术，将继续成为螺旋折流板换热器设计的研究热点。

3.5 部分研究者给出了螺旋折流板换热器工程应用案例，但对应用收益量化较少，例如综合性能提高、传热能力强化、防垢能力提高、经济效益提高等指标的量化仍较少。

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（收稿日期：2022-05-28，修回日期：2023-02-27）

Progress in Research and Application of the Helical

Baffle Heat Exchanger

LU Jia，TIAN Ya?jing， LI Peng?fei， HUANG Wei， SUN Si?zhong， ZHANG Jiang?yun

（Nuclear Power Institute of China）

Abstract   In view of the achievements in both domestic development and application of the helical baffle heat exchanger， the research progress in the helical baffle structure and layout in recent years were summarized， including the progress in its design， manufacturing and application. It can provide reference for its research and application in nuclear power device.

Key words    helical baffle， research status， application progress， nuclear power device

基金項目：四川省科技计划资助项目（2019ZDZX0001）。

作者简介：鲁佳（1989-），工程师，从事核动力装置设备的设计与研究工作，lujia989@163.com。

引用本文：鲁佳，田雅婧，李鹏飞，等.螺旋折流板换热器的研究与应用进展［J］.化工机械，2023，50（2）：131-139.