对螺旋板换热器产生气阻的原因进行理论分析和阐述,并讨论防止产生气阻的方法和消除气阻的对策,对螺旋板换热器的正确使用有一定指导意义。

螺旋板换热器是一种高效换热设备,因其制作工艺简单、换热效率高而在化工生产中被普遍采用。但新螺旋板换热器在刚开始投用时,往往由于其内部产生气阻而造成系统阻力加大,严重的甚至会导致介质不能通过换热器,生产不能正常进行。

1　螺旋板换热器结构分析

如图1所示,螺旋板换热器有2个通道,分别是顶入侧出和侧入顶出。2个通道呈交叉分布,正常生产时冷热介质分别从顶部和侧部流入,在逆向流动的过程中实现换热。

2　气阻产生的原理分析

2.1　气柱产生压差的原理分析

如图2所示,在U形管中装有某种液体,U形管右侧封有一段气柱高为h1,气柱之上有一段高为h0的液柱,气柱下部的液柱高为h,U形管左右两侧液位相同,液柱上面的压强分别为P1和P2,则该U形管两侧的压力平衡公式为:p1+ρg(h0+h1+h)=p2+ρg(h0+h)(1)式中,ρ为U形管中液体的密度;g为重力加速度。

由于空气密度与液柱相比非常小,在此可忽略不计。

由(1)式可换算得出:

p2-p1=ρgh1(2)

由式(2)可以看出,一段高为h1的气柱可产生大小为ρghl的压差,也就是说,U形管右侧的压强必须比左侧大ρghl,才有可能使得右侧的液体向左侧流动。

2.2　螺旋板换热器产生气柱的过程分析

(1)液体顺着新螺旋板换热器右侧顶部入口流入,从最外层向内层流动,如图3所示。

(2)随着液位不断升高,左侧液位到达流道内圈顶部最高点,如图4所示。

(3)液体继续流入,越过第1圈流道内圈顶部的高点进入第2圈,并在第1圈流道顶部形成一段气柱,如图5所示。

(4)随着液体的不断流入,螺旋板的流道内会由外向内每一圈都形成一段气柱,液体流动需克服的阻力也越来越大,如图6所示,这时螺旋板内就形成一定的气阻,其气阻的大小约为:

p′=ρg(h1+h2+…+hn)(3)

式中,p′为气阻;ρ为流通介质的密度;g为重力加速度;h1、h2…hn为螺旋板内气柱的高度。

假若液体介质的压头足够大,可以克服整个螺旋板换热器内部形成的气阻,则液体可以继续流通,并最终将螺旋板内部的气柱逐步排向出口,生产不会受到影响。但是如果螺旋板换热器的流道圈数很多,而且液体介质的压头偏小,不能克服螺旋板内气柱形成的阻力,则液体将不能形成流通,并最终影响生产。

3　气阻产生的特点

根据以上分析,螺旋板换热器产生气阻有以下特点:(1)板间距越大越容易产生气阻,反之越不容易产生气阻;(2)介质黏度越大越不容易产生气阻;(3)介质注入的速度越慢,越容易产生气阻,而且气阻越大;反之,则越小;(4)螺旋板换热器的换热面积越大或者流道圈数越多,产生的气阻越大;(5)介质密度越大,产生的气阻越大。

4　预防和消除气阻的对策

为了防止产生气阻,使用螺旋板换热器时可采取以下几种措施:(1)在保证流量的情况下,尽量选用流道间距比较小的螺旋板换热器;(2)开启螺旋板换热器时,先打开螺旋板出口的排空气阀门,并快速打开出入口阀门,使介质快速通过螺旋板的同时将换热器中的空气尽快排除;(3)在场地允许的情况下,可采用平卧式安装方式,以避免气阻的产生;(4)若换热器圈数较多,形成的气阻很大,介质系统压力不能克服其阻力,也可先将螺旋板换热器平放,用水或其他介质从外圆管口处灌入,将空气从中部向上的管口排出,然后用盲板封堵,再将其竖起按正常方式安装。

另外,对于有几台螺旋板换热器并联安装的情况,新换热器安装到位后由于有气阻的存在,比其他换热器的阻力要大得多,也就是说并联换热器前后的压差不能克服新换热器产生的气阻,否则会造成介质从其他换热器“短路”而不能从新换热器流通的现象。这时,可先关闭其他换热器出入口阀门,靠液体系统压力将介质从新换热器强制流通后再开启其他换热器正常生产。

掌握螺旋板换热器产生气阻的原理和对策,对正确使用螺旋板换热器,避免和减少气阻的产生,保证正常生产具有重要的意义。