螺旋盤管式換熱器作為一種高效緊湊的傳熱設(shè)備，近年來在能源、化工、暖通空調(diào)等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。其獨(dú)特的螺旋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不僅優(yōu)化了傳熱性能，還顯著改善了流動(dòng)特性，成為傳統(tǒng)換熱器的重要替代方案。

一、結(jié)構(gòu)與工作原理

螺旋盤管式換熱器由多根螺旋形盤管繞制在同一軸心上構(gòu)成，冷熱流體分別從內(nèi)外側(cè)或上下部流經(jīng)盤管間隙。螺旋結(jié)構(gòu)通過增大換熱面積（可達(dá)傳統(tǒng)殼管式換熱器的3-5倍）并形成復(fù)雜流動(dòng)路徑，實(shí)現(xiàn)了強(qiáng)化傳熱。當(dāng)流體通過時(shí)，受離心力和科里奧利效應(yīng)影響，產(chǎn)生強(qiáng)烈的湍流，破壞邊界層發(fā)展，傳熱系數(shù)提升至800-1200 W/(m?·K)，遠(yuǎn)高于普通管殼式換熱器。

二、傳熱特性分析

實(shí)驗(yàn)研究表明，該換熱器的傳熱性能受三個(gè)關(guān)鍵因素影響：

螺距與盤管直徑比：當(dāng)螺距與管徑比為2:1時(shí)，傳熱效率達(dá)到峰值，此時(shí)流體剪切力最大，湍流程度最優(yōu)。

入口流速：在2-4 m/s范圍內(nèi)，傳熱系數(shù)隨流速線性增長，但壓降增幅較小，具有最佳性價(jià)比。

流體物性：黏度較低的流體（如水）相比高黏度介質(zhì)（如油）可獲得更高的傳熱速率，溫差驅(qū)動(dòng)型應(yīng)用更具優(yōu)勢。

數(shù)值模擬顯示，螺旋結(jié)構(gòu)內(nèi)部存在明顯的二次流現(xiàn)象，冷熱流體在軸向與徑向形成三維混合，有效緩解了傳統(tǒng)換熱器的熱應(yīng)力集中問題。在50℃溫差工況下，其平均傳熱溫差可降低至15℃，節(jié)能效果顯著。

三、流動(dòng)特性優(yōu)化

通過CFD仿真對(duì)比發(fā)現(xiàn)，螺旋盤管式換熱器具有以下流動(dòng)優(yōu)勢：

壓降分布均勻：相較于直管式換熱器，壓降降低約40%，且沿流動(dòng)方向變化幅度小于10%。

抗污能力強(qiáng)：螺旋通道的自清潔效應(yīng)使結(jié)垢率減少60%以上，在含固體顆粒的工況中表現(xiàn)優(yōu)異。

流動(dòng)穩(wěn)定性高：雷諾數(shù)下限提升至5000（傳統(tǒng)設(shè)備為2000），低流量時(shí)仍保持穩(wěn)定傳熱。

四、工程應(yīng)用與挑戰(zhàn)

該換熱器已成功應(yīng)用于數(shù)據(jù)中心液冷系統(tǒng)（實(shí)現(xiàn)PUE值≤1.15）、LNG低溫?fù)Q熱（甲烷傳熱系數(shù)達(dá)1500 W/(m?·K)）及余熱回收領(lǐng)域。然而，高溫（>300℃）工況下的材料蠕變變形仍是制約因素，目前鈦合金內(nèi)襯技術(shù)可將耐溫極限提升至450℃。