螺旋螺纹管换热器传热机理

1、SECESPOLSECESPOL 高效换热理论依据高效换热理论依据传热现象是由温度差引起的能量转移，即以温度差为动力而产生的能量由高温向低温进行传递的过程称为传热。传热有三种基本方式，即热对流、热传导、热辐射，其中，热对流是流体各部分之间相对位移所引起的热传递，是传热效果最好的一种传热方式；热传导是由微观粒子热运动所引起的热传递；热辐射是由热产生的电磁波而进行的热传导（化工原理 P200 P201） 。这三种传热方式的传热效果是按照：热对流热传导热辐射，由高到低依次排列。在实际的化工应用中多采用热对流的传热方式进行，但是由于流体本身的流动特点，对流传热是集热对流和热传导于一体的综合现象（化工原

2、理 P215） 。以下将对影响对流传热效果的各个因素的基本原理进行说明，并针对 SECESPOL 螺旋螺纹管换热器与其它传统换热器进行对比。一、换热管的壁厚对传热的影响；一、换热管的壁厚对传热的影响；不同物质单位温度梯度下的热通量，称为该物质的导热系数，它表征物质导热能力的大小，是物质的物理性质之一，与物质的组成、结构、密度、温度及压强有关系。不同状态物质的导热系数是基本按照金属固体非金属固体金属液体非金属液体气体的顺序从大到小排列（化工原理 P206） 。在间壁传热过程中，能量的传递速率是与传热面积和传热面两侧温差均成正比，并且还与物质本身的导热系数有关。对于单层平壁传热，导热速率计算公式如

3、下（化工原理 P207）：Q= 公式 1其中：Q；导热速率，W；S：换热面积，；：导热系数，W/m*；b：平均壁厚，m；t1、t2：两侧壁面温度，导热推动力，；对于传统平板式换热器，板片厚度对传热系数影响很大，厚度每减小 0.1mm，对称型板式换热器的总传热系数约增加 600W/（m2*K） ，非对称型约增加 500W/（m2*K） ，换热器板间流道内介质平均流速以 0.30.6m/s 为宜，阻力以不大于 100kPa 为宜。 （参考提高板式换热器效能的优化设计雷新义 山西太原市热力公司） 。由公式由公式 1 1 可以看出，传热界面的导热系数与传热界面的壁厚成反比。可以看出，传热界面的导热系数

4、与传热界面的壁厚成反比。SECESPOLSECESPOL 螺旋螺螺旋螺纹管换热器换热管束平均厚度为纹管换热器换热管束平均厚度为 0.6mm0.6mm，接近普通平板式换热器板片厚度，接近普通平板式换热器板片厚度 0.80.81.21.2mmmm（化（化工设备设计全书工设备设计全书换热器设计换热器设计 P333P333） ，而传统管壳式换热器列管平均壁厚在，而传统管壳式换热器列管平均壁厚在 2.02.02.52.5mmmm 之之间（化工原理间（化工原理 P277P277） ，螺旋板换热器板厚，螺旋板换热器板厚 2 24 4mmmm（化工原理（化工原理 P272P272） ，在同等材质及工况下，在同

5、等材质及工况下，SECESPOLSECESPOL 螺旋螺纹管换热器换热管壁的导热系数是其它传统换热器的螺旋螺纹管换热器换热管壁的导热系数是其它传统换热器的 1.31.37 7 倍。倍。二、液体流动状态对传热系数的影响；二、液体流动状态对传热系数的影响；当流体流过固体壁面时，由于流体黏性的作用，使壁面附近的流体减速而形成流动边界层，边界层内存在速度梯度。当边界层内的流动处于滞流状态时，称为滞流边界层；当边界层内的流动发展为湍流时，称为湍流边界层。但是，即使是湍流边界层，靠近壁面处仍有一薄层（滞流内层）存在，在此薄层内流体呈滞流流动。滞流内层和湍流主体之间称为缓冲层。由于滞流内层中流体分层运动，相

6、邻层间没有流体的宏观运动，因此在垂直于流动方向上不存在热对流，该方向上的热传递仅为流体的热传导（实际上，在滞流流动时的传热总是要受到自然对流的影响，使传热加剧） 。由于流体的导热系数较低，使滞流内层内的导热热阻很大，因此该层中温度差较大，即温度梯度较大。在湍流主体中，由于流体质点的剧烈混合并充满漩涡，因此湍流主体中温度差（温度梯度）极小，各处温度基本相同。在缓冲层区，热对流和热传导的作用大致相同，在该层内温度发生缓慢的变化。图 1表示冷热流体在壁面两侧的流动情况和与流体流动方向相垂直的某一截面上的流体温度分布情况。由上分析可知，对流传热是集热对流和热传导于一体的综合现象，对流传热的热阻主要集中

7、在滞流内层，因此，减薄滞流内层的厚度是强化对流传热的主要途径。 （化工原理 P215）图 1 冷热流体间壁式传热对于多层平壁热传导的总推动力为各层温度差之和，即总温度差，总热阻为各层热阻之和（化工原理 P209），导热速率计算公式为： 公式 2Q= 公式 3其中：Q：导热速率，W；Ti：编号为 i 的间壁的两侧温差，；Ri：编号为 i 的间壁的热阻，/W，即：热阻=通过公式 2 和公式 3 可以看出，在同等工况下，即保持间壁两侧温差、换热面积、材料导热系数等不变的前提下，导热速率与换热间壁壁厚及其两侧滞流内层厚度之和成反比，也就是说，若将换热间壁及其两侧滞流内层厚度同时将换热间壁及其两侧滞流内

8、层厚度同时减少一半，总导热速率则是原来的两倍减少一半，总导热速率则是原来的两倍。由于换热器内部介质流动状态复杂，无法采用公式准确计算滞流内层厚度与流速的关系，但是可以通过相关资料提供的经验公式进行类比推算。注：（化工原理 P41）参考上述资料，在同等工况下，介质流速 u 对滞流边界层厚度 的比例关系可以推算：，即边界层厚度平方与介质平均流速成反比。另外，上述公式是在平板换热壁面的基础上进行理论估算的，而对于非平板换热壁面，如平板式换热器板片、螺纹换热管及波纹换热管等，换热壁面的几何形状干扰了平流层液体流动，最大可能地将流过壁面的流体强制湍流状态，并且增加流体对换热壁面垂直冲刷的几率，会大大减小

9、边界层厚度。由于换热器内部介质流动状态复杂，暂时没有相关的理论公式或经验公式进行相关计算验证，但根据相关实际使用工况的使用情况，得出边界层厚度与介质的流速有关，介质流速越高，湍流效果越剧烈，对换热壁面冲刷的强度也越大，传热效果也会更好。由上述公式推导可以看出，设备内部液体介质流速对换热管壁滞流层厚度由上述公式推导可以看出，设备内部液体介质流速对换热管壁滞流层厚度有一定影响。有一定影响。SECESPOL 螺旋螺纹管换热器壳程设计流速为螺旋螺纹管换热器壳程设计流速为 5.5m/s，而传统管壳，而传统管壳式换热器壳程设计流速一般在式换热器壳程设计流速一般在 0.52 m/s 之间（化工原理之间（化工

10、原理 P276） ，螺旋板换热器，螺旋板换热器一般不超过一般不超过 2m/s（化工原理（化工原理 P272） ，普通平板式换热器板片间流体设计流速在，普通平板式换热器板片间流体设计流速在0.30.6 m/s 之间（之间（化工设备设计全书化工设备设计全书换热器设计换热器设计 ） ，由此可以看出，由此可以看出，SECESPOL 螺旋螺纹管换热器壳程流速在其它换热器的螺旋螺纹管换热器壳程流速在其它换热器的 211 倍，根据相关理论倍，根据相关理论公式，其边界层厚度是其它换热器边界层厚度的公式，其边界层厚度是其它换热器边界层厚度的 3/107/10，大大提高了总导，大大提高了总导热速率。热速率。三、污

11、垢热阻：三、污垢热阻：换热器在实际操作中,传热表面上常有污垢积存,对传热产生附加热阻,使总传热系数降低.估算 K 值时一般不能忽略污垢热阻,由于污垢层的厚度及其导热系数难以准确地估计,因此通常选用污垢热阻的经验值作为计算 K 值的依据.(化工原理 P220)如上截取相关资料，在公式 4-42 中，各部分参数说明如下：K：总传热系数，W/（） ；i，o：换热器管内侧和外侧流体对流传热系数，W/（） ；Rsi，Rso：换热器管内侧和外侧流体污垢热阻，/W；b：换热管壁厚，m；：材料导热系数，W/（m） ；由式 4-42 可以看出污垢热阻是直接叠加在总热阻之上的，另外水垢的热阻系数（即导热系数的倒数

12、）约为金属材料的 200 倍，是传热系数的最大杀手。随着设备使用时间的增加，附着在管壁的污垢逐渐累积，厚度不断增加，大大影响设备传热系数及换热效率。如何降低换热器管壁的结垢倾向和累积速率，成为保证设备换热效率最有效手段。影响结垢速度的相关因素主要包括以下几个方面：1. 介质的硬度、微生物含量、对管壁的锈蚀能力等；2.流体的流动速度：在换热器中，流速对污垢的影响应该同时考虑其对污垢沉积和污垢剥蚀的影响，对于各类污垢，对于流速增大引起剥蚀率的增大较污垢沉积的速率更为显著，所以污垢增长率随着流速的增大而减小；3.传热壁面的温度：温度对于化学反应结垢和盐类析晶结垢有着重要的作用，流体温度的增加一般会导

13、致化学反应速度和结晶速度的增大从而对污垢的沉积量产生影响，导致污垢增长率升高。4.换热面材料和表面质量：对于常用的碳钢、不锈钢而言只是通过腐蚀产物的沉积而影响结垢；而如果采用耐蚀性能良好的石墨或陶瓷等非金属材料，则不易发生结垢。换热面材料的表面质量会影响污垢的形成和沉积表面粗糙度越大越有利于污垢的形成和沉积。由上述相关论述可以看出，由上述相关论述可以看出，SECESPOL 螺旋螺纹管换热器结垢倾向低主要体螺旋螺纹管换热器结垢倾向低主要体现在：采用不锈钢现在：采用不锈钢 316 材质，保证换热面材料质量，避免出现腐蚀产物的沉积材质，保证换热面材料质量，避免出现腐蚀产物的沉积而结垢，管束壁面光滑，

14、垢质难附着；弹性管束缠绕结构设计，强化湍流状态，而结垢，管束壁面光滑，垢质难附着；弹性管束缠绕结构设计，强化湍流状态，增强了对换热管束壁面的冲刷，减少了滞流内层厚度，大大降低了垢质附着的增强了对换热管束壁面的冲刷，减少了滞流内层厚度，大大降低了垢质附着的几率；介质设计流速为几率；介质设计流速为 5.5m/s，是传统换热器的，是传统换热器的 211 倍，增加了垢质的剥蚀倍，增加了垢质的剥蚀率，降低了垢质附着几率。由此可以看出，率，降低了垢质附着几率。由此可以看出，SECESPOL 螺旋螺纹管换热器从材料、螺旋螺纹管换热器从材料、设计、结构等方面充分考虑到了如何降低污垢热阻，保证设备的高效传热。设计、结构等方面充分考虑到了如何降低污垢热阻，保证设备的高效传热。由于换热器内部介质流动状态复杂，对于传热系数的其它影响因素，如湍由于换热器内部介质流动状态复杂，对于传热系数的其它影响因素，如湍流剧烈程度、温度梯度等，暂时没有相关的理论公式或经验公式进行相关计算流剧烈程度、温度梯度等，暂时没有相关的理论公式或经验公式进行相关计算验证，本文暂不进行相关理论论述。综上所述，验证，本文暂不进行相关理论论述。综上所述，SECESPOL 螺旋螺纹管换热器无螺旋螺纹管换热器无论从选材、壁厚、结构、设计、加工等方面，还是从实际使用工况方面，