能源是经济发展和社会进步的重要物质基础，是衡量综合国力和人民生活水平以及国家文明发达程度的指标。国际能源紧张的局面下，开发诸如核能、地热、太阳能等新能源，也离不开*经济、综合效率*高的换热器。采用高效的强化传热技术是提升换热器传热效能、提高能源利用率的有效途径。在现代科学技术领域里，无论在动力、冶金、石油、化工、材料制冷等工程领域，还是航空航天、电子、核能等高技术领域，都不可避免的涉及热量的传递及其强化问题。在各种能量系统及工业过程中，由于能量转换和利用的不完善性和局限性，存在着各种温位的余热。高效地利用和回收余热，节约能量消耗，高效换热器的研究开发至关重要。

　　图1. 不同隔板结构的换热器：（a）弓形隔板；（b）螺旋隔板[1]

　　换热器是不仅直接影响过程能耗的重要热能转换设备，保证工程设备正常运转不可或缺的功能部件，而且在金属消耗、动力消耗和投资方面占有整个工程中的重要份额。在电力、石油、化工等高能耗的工业部门中，换热器传热性能的高低，直接影响着工业系统的能耗水平。在石油化工中，换热器的投资约占系统设备总投资的40%左右，若以高效节能换热器取代传统换热器，则换热系统总能耗可降低20%～30%；在热电厂中，如果将锅炉也作为换热设备，则换热器的投资约占整个电厂中投资的70％左右；在动力消耗方面，以车辆为例，车辆冷却系统所消耗的功率要占发动机输出功率的3％～15％；在制冷机中蒸发器的质量要占总质量的30％～40％，其动力消耗约占总值的20％～30％，在以氟里昂为制冷剂的现代水冷机组制冷机中，蒸发器和凝结器的质量约占总质量的70％。

　　目前我国工业系统使用的壳管式换热器90%以上是采用传统的弓形隔板光滑管结构。此类换热器的体积庞大，材耗多，过程系统的能耗也高，亟待改进。针对弓形隔板在结构上存在阻碍流体流动、降低传热性能等缺点，许多研究对其进行改进，并开发出新型的管间支撑结构。螺旋隔板则是近几年迅速发展起来的新型管间支撑结构。如动画所示，在螺旋隔板换热器中，流体在壳程呈均匀的螺旋流动，类似塞状流，流体几乎不存在返混现象，也没有流动死区。

　　因而，壳程的压降能有效地转变为传热系数的提高，而且还不会出现管束的振动问题，污垢也较难聚集，尤其适合传热阻力在壳程时流体的传热强化[2]。目前，国外换热器主要采用不连续螺旋折流板换热器[3,4]。整体连续螺旋折流板则能克服不连续螺旋折流板泄漏流的缺点，但整体连续螺旋折流板在结构上需围绕一个中心管固定[5]。若中心管不布管，则浪费了壳体直径空间，减少了传热面积。为充分利用壳体直径布管，可以将壳体设计为多壳程结构，但内壳程设置不同折流板结构，增加了制造复杂性，同时流体在多壳程之间串联流动，流路长从而增加了压降。

　　图2. 螺旋隔板及螺旋隔板与管件连接实物图

　　但是从传热性能来看，若仅以螺旋折流板替代弓形折流板，在相同条件下，虽然弓形折流板换热器的压降低于螺旋折流板换热器，但其传热系数却高于螺旋折流板换热器。选用二维、三维翅片管和T形翅片管，实现流体的螺旋流动和传热管表面结构间协同强化传热，且在中心管上与壳程进出口对应处开口，使得流体在两壳程间并流流动，在进行强化传热的同时压降还较低。中心管内设置螺旋扁管管束，靠传热管自支撑，不需折流板，制造简单。螺旋隔板强化管换热器与目前国内广泛使用的弓型隔板光滑管换热器相比，在相同坯管面积条件下，总传热系数可提高50%以上，大大提高了换热器的换热能力。对于相同换热负荷条件下，可节省20-30%的换热面积，节省了大量的金属消耗和人工成本。

　　图3. 二维及三维强化管实物图[6]

　　参考文献

　　[1] S.M.A. Naqvi, Q. Wang, Numerical Comparison of Thermohydraulic Performance and Fluid-Induced Vibrations for STHXs with Segmental, Helical, and Novel Clamping Antivibration Baffles, 12 (2019) 540.

　　[2] Z. He, X. Fang, Z. Zhang, X. Gao, Numerical investigation on performance comparison of non-Newtonian fluid flow in vertical heat exchangers combined helical baffle with elliptic and circular tubes, Appl Therm Eng, 100 (2016) 84-97.

　　[3] 一种螺旋折流板支撑双面强化管管束干式蒸发器，CN.6

　　[4] 一种余热回收用螺旋折流板支撑双面强化管管束换热器，CN.X

　　[5] 一种连续螺旋折流板双壳程组合异形管管束换热器，CN.8

　　[6] Z. Zhang, Q. Li, T. Xu, X. Fang, X. Gao, Condensation heat transfer characteristics of zeotropic refrigerant mixture R407C on single, three-row petal-shaped finned tubes and helically baffled condenser, Appl Therm Eng, 39 (2012) 63-69.

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