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缠绕螺旋管式热交换器:结构、性能与应用解析

更新时间:2025-09-13      浏览次数:90
一、结构特点:螺旋缠绕设计的核心优势
缠绕螺旋管式热交换器的核心结构由螺旋管束壳体管板进出口接管折流构件(部分型号)组成,特征在于管束的螺旋缠绕式布局,这一设计直接决定了设备的传热性能与适用范围。

1. 核心部件:螺旋管束的精密设计

螺旋管束是设备的传热核心,通常由多根金属管材(如不锈钢 304/316L、碳钢、钛合金等,根据介质腐蚀性选择)按特定螺距和直径缠绕而成。管束的缠绕方式分为单螺旋多螺旋(多程) 两种:单螺旋结构简单,流体流程长,适用于传热温差较小的场景;多螺旋则通过将管束分为多个独立的螺旋单元,实现流体的多程流动,可在有限壳体直径内增加传热面积,提升传热效率。
为保证管束的稳定性,缠绕过程中会采用定位杆支撑环对螺旋管进行固定,避免流体冲刷导致的振动与磨损。同时,螺旋管之间保留均匀的间隙(通常为管外径的 10%-20%),确保壳程流体能够均匀流过管束表面,减少流动死区。

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2. 壳体与管板:适配螺旋结构的特殊设计

壳体多采用圆柱形结构,直径根据螺旋管束的最大外径确定,通常比管束外径大 50-100mm,以保证壳程流体有足够的流通空间。管板作为管束与壳体的连接部件,需具备较高的强度和密封性:由于螺旋管的两端需均匀分布在管板上,管板上的开孔需严格按照螺旋轨迹定位,加工精度要求远高于传统管壳式热交换器。部分大型设备还会在壳体内设置导流板,引导壳程流体沿螺旋方向流动,进一步优化流场分布。

二、工作原理:强化传热的内在逻辑

缠绕螺旋管式热交换器的传热过程基于间壁式传热原理,即冷、热两种流体分别在管程(螺旋管内部)和壳程(螺旋管外部与壳体之间的空间)流动,通过螺旋管壁进行热量交换。其强化传热的核心逻辑源于以下两点:

1. 流体的强制湍流:提升传热系数

由于管束呈螺旋状,管程流体在流动过程中会因螺旋轨迹产生离心力,形成二次流(垂直于主流方向的涡流),这种流动状态能有效破坏管内壁的边界层,减少热阻;同时,壳程流体在流经螺旋管束间隙时,会受到管束的阻挡和引导,形成紊乱的流动,避免了传统管壳式热交换器中壳程流体易出现的 “短路" 现象。无论是管程还是壳程,流体均能在较低的雷诺数下进入湍流状态(通常 Re>1000 即可实现湍流),大幅提升了对流传热系数,相比同规格的传统管壳式热交换器,传热效率可提高 30%-50%。

2. 长流程与均匀接触:保证传热效果

螺旋管的缠绕设计使得管程流体具有较长的流动路径(单根螺旋管的长度可达数十米),延长了冷、热流体的接触时间,确保热量充分交换;同时,螺旋管束的均匀分布让壳程流体能够与管壁实现接触,避免了局部过热或传热不均的问题,尤其适用于对温度控制精度要求较高的工艺(如制药行业的药液加热与冷却)。

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三、性能优势与局限性:适用场景的关键判断

1. 核心优势:为何选择缠绕螺旋管式设计?

  • 高效传热:如前所述,流体的强制湍流和长流程设计显著提升传热效率,可减小设备体积,节省占地面积(相比传统管壳式,体积可减少 20%-40%),尤其适用于空间受限的厂房布局。

  • 抗结垢能力强:湍流状态下的流体具有较强的冲刷作用,能有效抑制污垢在管壁的沉积;同时,螺旋管的光滑内壁和无死区设计,减少了污垢附着的机会,延长了设备的清洗周期,降低了维护成本。

  • 适应高粘度与含颗粒介质:对于高粘度流体(如原油、沥青),螺旋管的湍流流动可降低流动阻力,避免流体在管内滞留;若介质中含有少量颗粒(如矿浆),合理设计的管束间隙可防止颗粒堵塞,相比板式热交换器更具适用性。

  • 温差适应性广:螺旋管的柔性结构能有效吸收冷、热流体的温度变化带来的热应力,减少设备因热胀冷缩产生的损坏,可适应较大的进出口温差(通常可达 150℃以上)。

2. 局限性:需规避的应用场景

  • 高压工况适用性差:由于螺旋管束的支撑结构相对薄弱,壳体承受内压的能力有限,通常适用于工作压力≤4.0MPa 的场景,高压工况(如高压蒸汽换热)需谨慎选用或进行特殊加固设计。

  • 清洗难度较高:螺旋管束间隙狭窄且结构复杂,传统的机械清洗(如高压水枪)难以深入,需采用化学清洗,且清洗过程耗时较长。

  • 制造成本较高:螺旋管束的缠绕加工、管板的精密开孔等工序对设备和技术要求较高,导致设备的初始投资成本比传统管壳式热交换器高 15%-30%,适合长期运行、传热效率优先的项目。

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