螺旋板式换热器是一种高效的间壁式换热器，与传统的管壳式换热器相比，它具有结构紧凑、传热效率高、不易结垢和热损失低等优点^[1]，现已在炼油、烃类加工、矿物加工、废水处理和沼气生产等各个领域得到了较为广泛的应用^[2]。

随着能源和可持续发展问题的日益彰显，对换热器的强化传热和能源的高效利用提出了更高的要求^[3]。为了提高螺旋板式换热器的传热效率，许多学者进行了大量的研究^[4-11]，相应的强化传热的方法主要集中在改变内部结构参数、选用新型工质和采用不同的壁面材料等几个方面。

Rajavel等^{[4, 5]}研究了螺旋板式换热器的传热性能，考察了板间距、螺旋圈数以及流体流量等参数的影响，并构建了努塞尔数的计算关联式。研究结果表明，传热系数随流体流量的增加而增大，但随螺旋圈数和板间距的增加而减小。Feng等^[6]通过数值模拟考察了层流条件下螺旋板式换热器的热工水力性能。结果表明，在较高的雷诺数下，螺旋圈数越多，换热效益越大，同时成本增量较小。Bahiraei等^{[7, 8]}通过数值模拟分析了水-氧化铝纳米流体和石墨烯纳米流体螺旋板式换热器的传热性能和流体力学特性。结果表明，纳米流体流速和浓度的提高，有利于螺旋板式换热器的传热强化。Nguyen等^[9]考察了径向与螺旋方向的导热对螺旋板式换热器传热效率的影响。结果表明，传热系数随螺旋圈数的增加而增大，导热系数高的壁面材料有助于提高传热性能。

虽然前面所述关于螺旋板式换热器的强化传热方法可以在一定程度上取得效果，但这些方法通常也会相应地增加整个设备装置的结构复杂程度，导致加工以及相应的维护成本有所增加；此外，目前工业的纳米流体成本较高且运行过程的检测较为繁琐，仍需进一步验证其长期使用的可靠性^[12]。综上所述，在工业应用中采取上述方法存在着一定的不确定性和局限性。

在现有的换热器强化传热的技术当中，流化床换热防垢节能技术除了能够有效地实现换热设备的强化传热之外，还能够较好地在线防、除垢^[13]。该技术通过流态化的惰性固体颗粒杂乱无章的运动剪切和碰撞流动和传热的边界层，以达到降低热阻的目的；此外，流化的颗粒还可以延长结垢诱导期，实现在线防垢的目的。目前，流化床换热防垢节能技术已在食品^[14]、制药^[15]、生物^[16]、电力^[17]、锅炉^[18]和废水处理^[19]等领域具有了一定的应用，研究者也围绕该技术开展了大量的研究^[20-29]。

Jiang等^[20-22]结合实验和数值模拟，考察了水平单管程和多管程液-固两相循环流化床换热器中的颗粒分布和压降。结果表明，颗粒在水平管束中的分布随循环流量的增大而趋于均匀，压降随颗粒加入量的增加而波动。Radoic ˇ ic ' 等^[23]对液-固流化床中的流化状态进行了可视化研究，分析了颗粒的团聚现象，并根据研究结果建立了颗粒循环速率和颗粒间碰撞频率的模型。Zhao^[24]和Murata等^[25]通过实验研究以及数值模拟等手段，考察了气-固循环流化床床层的摆动对传热效果的影响。研究结果显示，流化床的床层摆动可以起到强化传热的效果，且随着摆动角度的增加流化床的强化传热效果也会增强。

目前，流化床换热防垢节能技术主要应用于管壳式换热器，而在螺旋板式换热器中的应用则鲜有提及^[30]。为此，结合二者设计并构建气-固循环流化床螺旋板式换热器，以探究其传热性能和压降。实验中，选用水和空气分别作为热、冷流体，并选择3种不同惰性固体颗粒，系统研究空气流量、颗粒加入量和颗粒类型等操作参数对传热性能和压降的影响。本研究的成果有望推动循环流化床螺旋板式换热器在工业应用中的发展，进一步拓展流化床换热防垢节能技术的应用范围。

1 实验 1.1 实验装置及流程

如图 1所示，设计并搭建了1台气-固循环流化床螺旋板式换热装置，该装置组成部分主要包括螺旋板式换热器、恒温水箱、颗粒收集器、转子流量计、旋风分离器和数据采集系统等。

螺旋板式换热器是整套换热装置的核心，为了减少热量损失带来的实验误差，它的外部包裹了一层保温棉，换热器的具体结构以及参数分别如图 2和表 1所示。实验过程由“组态王”软件自动采集实验数据，主要包括采用热电阻温度计所测量的冷、热流体在螺旋板式换热器进、出口的温度和采用压差传感器来测量的冷流体侧的流动压降，实时的测量数据会在数字仪表上显示。相关仪器及规格如表 2所示。

实验开始时向设备中添加一定量的颗粒，调节旋涡气泵的频率，观察气体转子流量计到指定的流量大小，通过出口阀调节恒温热水的循环流量。空气在喷嘴出口处与循环的固体颗粒混合，进入螺旋板式换热器与热流体进行换热。换热后气-固两相流进入到旋风分离器中进行分离，气体从顶部出口排到周围环境中，颗粒从底部出口经颗粒收集器下落，继续参与循环过程。实验中，当5 min内冷、热流体进出口的温度变化不超过0.1 ℃，并且冷流体进、出口的压差变化不超过0.1 kPa，认为系统达到稳态，达到稳态后记录温度和压降。

1.2 实验工质及参数

实验主要考察对象为空气侧的流动与传热效果，因此以单气相或气-固两相作为冷流体，恒温水作为热流体。选用3种类型的惰性固体颗粒，具体的颗粒相关物性如表 3所示。

实验中的操作参数主要包括颗粒加入量、空气流量和颗粒类型。恒温水箱的温度设置为90 ℃，恒温水的循环流量V_h设置为3 m³ ·h^-1，在螺旋板式换热器中对应的流速为0.278 m ·s^-1，雷诺数为23 643。规定所加入的颗粒堆体积与气-固两相流循环通道总容积之比为颗粒加入量ε，具体参数设置为0.5%、1.0%、1.5%和2.0%。空气流量V_g设置为80、95、110和125 m³ ·h^-1。

1.3 数据处理和误差分析

为了考察气-固循环流化床螺旋板式换热器的传热性能，选择总传热系数K和传热增强因子E两个参数作为评价指标。总传热系数K可由式(1)进行计算。

$ K=\frac{Q_{\mathrm{h}}-Q_{\mathrm{L}}}{A \Delta t_{\mathrm{m}}} $

(1)

式(1)中：Q_h为单位时间热流体所放出的热量；Q_L为热损失；A为螺旋板式换热器的换热面积；Δt_m为冷、热流体的平均温差。Q_h可由式(2)进行计算。

$ Q_{\mathrm{h}}=\frac{\rho_{\mathrm{h}} V_{\mathrm{h}} c_{p, \mathrm{~h}}\left(T_1-T_2\right)}{3600} $

(2)

式(2)中：ρ_h为热水的密度；V_h为热水的循环流量；c_{p, h}为热水的平均比热容；T₁和T₂分别为热水的进、出口温度。

Q_L可通过式(3)和式(4)计算。

$ \begin{gathered} Q_{\mathrm{L}}=\alpha_{\mathrm{T}} S_{\mathrm{w}}\left(t_{\mathrm{w}}-t_{\mathrm{b}}\right) \end{gathered} $

(3)

$ \alpha_{\mathrm{T}}=9.4+0.052\left(t_{\mathrm{w}}-t_{\mathrm{b}}\right) $

(4)

式(3)和式(4)中：α_T为对流-辐射联合传热系数；S_w为保温棉的外表面积；t_w和t_b分别为保温棉的外壁温和环境温度。

传热增强因子E可用来描述螺旋板式换热器强化传热效果，可由式(5)进行计算。

$E=\frac{K_{\mathrm{gs}}-K_{\mathrm{g}}}{K_{\mathrm{g}}} \times 100 \% $

(5)

式(5)中：K_gs和K_g分别为气-固两相流和单气相流的总传热系数。

采用压降比率S评价气-固循环流化床螺旋板式换热器的压降。压降比率S由式(6)进行计算。

$S=\frac{\Delta P_{\mathrm{gs}}-\Delta P_{\mathrm{g}}}{\Delta P_{\mathrm{g}}} \times 100 \% $

(6)

式(6)中：ΔP_gs和ΔP_g分别为气-固两相流和单气相流的压降。

2 结果与讨论 2.1 空气流量的影响

在流化床中，颗粒与壁面以及颗粒之间的碰撞对于换热效果以及压降有着显著作用，而空气流量又直接影响颗粒流化状态，故空气流量是一个重要的影响因素。

空气流量对传热增强因子具有一定的影响，如图 3所示。由图 3可知，随着空气流量的增加，传热增强因子基本上呈现出增大的趋势。这是因为增加空气流量会提高颗粒流化的程度，加剧颗粒的扰动，进而加强颗粒与换热壁面之间以及颗粒之间的相互作用，从而有利于传热的强化。同时，流化颗粒数量的增加会提高颗粒与传热壁面的接触频率，通过热传导方式促进传热。实验范围内，当向系统中加入POM颗粒，气体流量为125 m³ ·h^-1，颗粒加入量为2.0%时，强化传热效果最佳，此时的传热增强因子可达到29.28%。

图 4所示为空气流量对总传热系数的影响。由图 4可知，气-固两相流的总传热系数明显大于单气相流的总传热系数，且两者均随着空气流量的增加而增大。当流体中存在惰性固体颗粒时，气-固两相流的传热情况与单气相流有所不同。具体而言，颗粒在螺旋通道内纷乱无序地运动，一方面可以破坏和减薄流动和传热的层流底层，降低热阻；另一方面，当颗粒在与壁面碰撞接触时，由于颗粒的导热系数高于空气，颗粒和换热壁面之间、颗粒之间以及颗粒与流体之间的相互接触和碰撞也会引起额外的热传导，从而进一步促进传热。因此，气-固两相流的总传热系数会大于单气相流的总传热系数。增加空气流量可以强化这两方面的作用效果，因此，总传热系数随空气流量的增加而增大。

根据图 5可知，空气流量对压降有显著的影响。无论是气体单相流还是气体与固体两相流，在螺旋板式换热器中，随着空气流量的增加，压降都会逐渐升高。具体来说，当空气流量增加时，颗粒的流化程度增大，颗粒与壁面之间以及颗粒之间的碰撞加剧，能量损失和压降会增大。此外，流化颗粒的数量也会随着空气流量的增加而增多，流体的表观密度也会随之增大，这会进一步增大流动压降。因此，在2个因素的共同作用下，压降随着空气流量的增加而逐渐增大。

压降比率随着空气流量变化的趋势如图 6所示。由图 6可知，压降比率总体上随空气流量的增加而波动。一方面，随着空气流量的增加，颗粒之间以及颗粒与壁面之间的碰撞和剪切加剧，同时，流化的颗粒数量增加，流体的表观密度增大，压降会因流动过程损失更多的能量而增大。另一方面，因为单气相流动的压降也会随着空气流量的增加而增大，这样一来，固体颗粒对气-固两相流的压降影响会有所削弱，最后表现出压降比率随着空气流量的增加而波动的现象。在实验范围内，当向系统中加入POM颗粒，颗粒加入量为2.0%，气体流量为110 m³ ·h^-1时，压降比率最大达到24.80%。

2.2 颗粒加入量的影响

根据图 7所示，随着颗粒加入量的增加，传热增强因子呈现出增大的趋势。随着颗粒加入量的增加，螺旋板式换热器内的流化颗粒数量也随之增多，进而增加了颗粒之间的碰撞频率，促进了流体和颗粒之间的相互作用以及提高了颗粒对换热壁面的撞击频率。这有利于破坏流动和传热边界层，增加颗粒的附加导热，进而减小了对流传热热阻，强化传热。

根据图 8所示内容可以看出颗粒加入量对压降比率的影响。从图 8中可以得知，随着颗粒加入量的增加，压降比率也基本上随之增大。正如之前所述，增加颗粒加入量有助于流化颗粒的数量增多。一方面，这会增加流体的表观密度和颗粒的碰撞频率，进而增加流动阻力，导致更多的能量损失，从而增大了压降比率。但另一方面，流化颗粒量的增加也会在一定程度上抑制流体的湍流，导致压降的减小^[31]。在这2种因素的作用之下，总体上压降比率呈现出随着颗粒加入量的增加而增大的趋势。个别情况下，压降比率呈现出波动的趋势。

上述研究结果表明，当加入不同类型颗粒时，颗粒加入量和空气流量对传热增强因子和压降比率有着不同的影响。为了指导工业实践，本研究还绘制了三维等值线图来显示它们之间的关系。图 9和图 10展示了不同颗粒类型下传热增强因子和压降比率的变化范围，可用于设置具体操作条件，以达到较好的传热效果和较小的压降比率。

2.3 颗粒类型的影响

图 11所示为颗粒类型对传热增强因子的影响。由图 11可知，在3种类型的颗粒中，POM颗粒的传热增强因子最大，而PPO的传热增强因子最小。

POM颗粒粒径较小，在相同颗粒加入量下，颗粒数量较多；同时，POM颗粒为球形，在螺旋板式换热器中较易流化，有利于颗粒对换热壁面和层流底层的作用，减小对流传热热阻，强化传热。此外，POM颗粒的导热系数较大，在流化床中可以附加更多热传导，促进传热的效果更为明显。反观PPO颗粒，形状为圆柱体，不易流化，且颗粒数量较少，导热系数较低。综上可知，由于上述因素的共同作用，加入PPO类型颗粒的传热增强因子最小，而加入POM类型颗粒的传热增强因子最大。

根据图 12内容所示，颗粒类型对于压降比率有着不同的影响。从图 12中可以得出结论，压降比率的变化趋势类似于传热增强因子的变化趋势。在3种颗粒类型中，POM颗粒的压降比率最高，而PPO颗粒的压降比率则最低。

如前所述，在相同颗粒加入量下，POM颗粒粒径较小，数量较多，且其形状为球形，较易流化，碰撞与剪切作用较为剧烈，导致能量损失较大；同时，POM颗粒密度较大，导致流体的表观密度较大，也会加剧能量损失。而PPO颗粒相对不易流化，且颗粒数量较少，因此压降比率也较小。

2.4 性能的综合评价

为了综合反映螺旋板式换热器的流动特性和传热性能，将传热增强因子和压降比率的比值E/S作为一个整体，绘制了操作参数对传热性能和压降的综合影响雷达图，如图 13所示，比值越大说明综合评价效果越好。

可以从图 13中看出，当向系统中加入1.0%的PPO颗粒并设置空气流量为110 m³ ·h^-1时，传热增强因子与压降比率的比值E/S最大，此时E/S为2.45，此操作条件下对应的传热增强因子为9.07%，压降比率为3.70%。

一方面，颗粒之间及颗粒与壁面之间的碰撞与剪切作用会破坏或减薄空气侧的流动和传热边界层。与椭球形的聚丙烯和球形的聚甲醛颗粒相比，圆柱形的PPO颗粒与壁面之间的接触面积更大，有助于强化对壁面的影响。另一方面，PPO颗粒为圆柱体，与椭球形和球形的颗粒相比，相对不易流化，且相同颗粒加入量下，其颗粒数量少于POM颗粒，因此压降比率是3者当中最小的(见图 12)。因此，在这2方面因素的共同作用之下，PPO颗粒的E/S值最大。

3 结论

本研究系统地考察了操作参数，如空气流量、颗粒加入量和颗粒类型等，对气-固循环流化床螺旋板式换热装置传热性能和压降的影响。研究得出的主要结论如下。

(1) 螺旋板式换热器的传热效果可以通过加入惰性固体颗粒来强化，但在强化传热的同时，压降也会有所增加。在实验范围内，传热增强因子最高可达到29.28%，此时系统中加入了2.0%的聚甲醛材质颗粒，空气流量为125 m³ ·h^-1，相应的压降比率也达到了20.86%。

(2) 实验范围内，随着空气流量的增加，传热增强因子会相应增大，而压降比率会波动。

(3) 实验范围内，随着颗粒加入量的增加，传热增强因子和压降比率都会相应地增大。

(4) 在3种颗粒中，POM颗粒的传热增强因子和压降比率最大，PPO的最小。颗粒接近球形，直径小，导热系数大，有利于流化和强化传热。

(5) 考察了操作参数对传热增强因子与压降比率的比值E/S的影响，并绘制了综合影响雷达图，用于指导工业实践。实验范围内，传热增强因子与压降比率的比值E/S最大为2.45，所对应的颗粒类型为PPO颗粒，颗粒加入量为1.0%，气体流量为110 m³ ·h^-1。

(6) 绘制了不同颗粒类型下，传热增强因子和压降比率随着操作参数变化的三维图。在后续的工作中，将会进一步开展可视化研究和相应的数值模拟，以促进螺旋板式换热器的工业应用。