管內插入物強化傳熱及除垢的研究進展

馬 強

(承德石油高等專科學校熱能工程系，河北承德 067000)

管內插入物強化傳熱及除垢的研究進展

馬 強

(承德石油高等專科學校熱能工程系，河北承德 067000)

介紹了內插物強化傳熱技術的特點，運用了場協同理論來解釋其強化傳熱的機理，主要是速度矢量場和熱流矢量場之間的協同對傳熱過程的影響。總結了近年來研究者們對管內插入扭帶強化傳熱和除垢的研究結果及進展，并對將來的研究工作提出了建議。

強化傳熱;內插物;除垢;進展

近年來，能源與材料費用的不斷增長大大地推動了高效節能換熱器的發展。管殼式換熱器由于其可靠性高和適用性強，目前被廣泛用于電力、化工、石油、能源與動力等工業部門，其用量占全部工業換熱器的70%［1］。為了提高換熱器的換熱效率，采用各種辦法來增強換熱器內的傳熱即換熱器的強化傳熱;管內插入物技術就是最方便的一種強化傳熱技術，它的最大優點是，適合舊的換熱器的改造，不必額外增加換熱器，而且加工制造簡單，裝卸方便，大大地節省了投資;此外，內插物有助于清除管內污垢，即內插物具有強化傳熱和除垢的雙重功能，這是其他強化傳熱技術所無法比擬的［1］。

目前國內外對內插物的研究很多，并應用于工業生產中，對節能、能源的充分利用起到了重要的推動作用;一些常用管內插入物形式有:環式、拉希格圖、盤式、螺旋線圈、螺旋帶、螺旋片、扭帶、靜態混合器和徑向混合器等［2］;不同的管內插入物具有不同的形狀，強化傳熱的機理也不同。下面主要介紹管內插入扭帶的研究情況。

1 扭帶強化傳熱的機理

扭帶強化傳熱的主要機理是管內流體產生旋轉并引起二次流，促進徑向混合，以強化傳熱。管內的扭帶可使流體產生旋轉流動和二次流，這是一種強制旋轉和軸向流動疊加而成的運動，可產生連續不斷的渦流，使管內主體流體和壁面邊界層流體充分混合，減薄邊界層，達到強化傳熱的目的(見圖1)。

場協同理論是近年發展起來的關于傳遞過程強化和控制的新途徑［3］。過增元在研究對流換熱時，從傳熱過程的能量方程中發現速度矢量場和熱流矢量場之間的協同對傳熱過程的影響，并作了詳細論述［4］，之后又進一步將對流換熱場協同理論擴展至三維湍流換熱［5－6］。

流體在流道內流動，受扭帶的影響，要產生繞軸向的旋轉運動，同時流體還有軸向流動，在兩個運動共同作用下使流體呈現螺旋流動。流體的這種螺旋流動對于強化傳熱會帶來一定的益處:在相同的流量下，換熱管內插扭帶與無扭帶時內部流體有著相同的軸向速度，但是受扭帶的影響流體要繞軸向作旋轉運動，旋轉速度與軸向速度疊加使得有扭帶時流體有著更大的流速，流體流速的增加伴隨著剪應力的增大，這樣可以破壞管壁附近的邊界層，從而增強了傳熱效果;流體在螺旋流道內作螺旋運動，受離心作用的影響，流體會有徑向速度分量，流體徑向流動的結果是造成了流體的二次流，它直接沖刷管壁，促進主體流體和壁面邊界層流體充分混合，減薄了邊界層，提高了傳熱效果。

流體在做螺旋流動時會產生二次流，二次流作用于邊界層，使流體主體與邊界層流體發生混合，混合的結果使流體流動更加復雜，速度與溫度場的夾角趨于減小，場協同數提高，強化了傳熱。另外，小扭比的扭帶相對于大扭比的扭帶在相等的長度內具有較多的扭轉圈數，因而使流體具有更長的流程，流體的切向和徑向速度會更大，隨之產生的二次流更強，協同角會更小。因此，扭比小的扭帶強化傳熱的效果更好。

2 扭帶對強化傳熱、磨損及阻力的影響

扭帶作為管內插入物之一，其工業應用已有五十多年的歷史，許多研究者用不同扭率的扭帶，對各種雷諾數(Re)范圍的不同工作流體進行了實驗。張華等［7］對3根不同結構參數的扭帶插入光管的換熱特性和流體動力學特性進行了實驗研究。以空氣為工質，Re在8 000～100 000之間，管外被水冷卻。發現在相同的操作條件下，所有扭帶的Nu數與光管的變化趨勢一致，但均比光管有所提高。增大最多的達到90% ～95%，最少的也有56% ～60%，他們將傳熱實驗數據與Kays和Crawford公式Nu=0.022 Re0.8Pr0.5相比相對誤差在±3%以內，這表明實驗系統具有足夠的精確度。但是傳熱的增強是以阻力的增加為代價的。張華等［7］通過對流動阻力的實驗得到了光管內插入摩擦扭帶時管內摩擦系數f與空氣雷諾數Re的關系，發現在相同的操作條件下，所有的扭帶管的摩擦系數與光管的變化趨勢一致，但均比光管的值大。隨著管內空氣雷諾數(Re)的增加，阻力系數呈下降趨勢，但變化逐漸變緩，這是因為隨著雷諾數(Re)的增加，扭帶對流體的擾動作用相對減弱。阻力增加最大為400%;阻力增加最小為70%。扭帶節距越小，扭率越小，則摩擦系數越大。

管內插入扭帶存在需要較高的流速帶動和磨損兩大問題，彭德其等［8］提出以塑料螺旋線替代鋼絲螺旋線解決磨損問題，又設計固定塑料螺旋線的空芯管(見圖2)來解決剛性太差的缺點，并且又以螺旋流道的高速流動替代管內的低流速，顯著增大其自傳力矩，達到可以在0.4 m/s以上的低流速下可靠應用的目的，并且傳熱系數強化幅度約50%，塑料螺旋線管的污垢清洗能力強，而且比較均勻，對管壁無磨損。塑料螺旋線管螺旋角以60o左右為好。塑料螺旋線管的自轉力矩在一定條件下可達到光管的241%。

隨著計算機技術的發展，數值模擬技術也用于自傳螺旋扭帶管內流體的流動特性的研究。張琳等［9］采用RNG k－ε湍流模型對自轉螺旋扭帶管內的流動和傳熱特性進行數值研究。模擬結果表明:1)扭帶管與普通光管相比，流體的流動發生了根本性的變化，扭帶管內流體呈非常有規律的三維螺旋狀旋轉流動，而普通管內流體呈常規的直線流動;2)扭帶管和光管的表面傳熱系數都是在傳熱管的進口處最高，但扭帶管的表面傳熱系數在整個長度方向比較均勻，而光管的卻下降非常明顯;3)扭帶管的表面傳熱系數最高值為5 051.4W/(m2·K)，平均值為3 611.8 W/(m2·K)，光管的表面傳熱系數最高值為4 897.8 W/(m2·K)，平均值為 3 262.7 W/(m2·K)，表面傳熱系數平均值提高了 10.7%。

唐志偉等［10］也利用k－ε湍流模型對管內插入扭帶的流體流動特性和傳熱特性做了數值模擬。模擬結果得出:1)由于扭帶的擾流作用，流體在靠近扭帶處速度達到最高，由此也帶動了管內流體的平均速度，從而提高了換熱效果。同時扭帶也與管壁管熱，增強了傳熱效果。2)扭帶的扭轉比越小，扭帶的彎曲程度越大，流體旋轉混合和流速增大的程度就越大，強化傳熱的效果就越明顯。當雷諾數較低時，與光管相比，扭帶的強化傳熱效果比較高雷諾數時更為顯著。3)管內流體的壓降隨著扭轉比的增大而減小，隨著雷諾數的增大而急速增大。在插有扭轉帶的管子中，流體按螺旋運動的規律在流動，同時伴有二次流并形成復雜的渦流。

3 扭帶自轉對傳熱管的除垢作用

傳熱管內也常存在結垢的弊端，而內插扭帶對除垢保潔也有很好的效果。傳熱管內的鹽垢的自動清洗保潔技術是生產實際迫切需要解決的一道難題。李群松等［11］對管內插入塑料扭帶進行實驗研究，當連續運行120 min后，結垢厚度達到5.4 mm，插入扭帶后鹽垢厚度降為2 mm，同時傳熱系數可以提高60%左右。管內安裝自轉扭帶后，傳熱管內仍然會存在有較薄的結晶鹽層，因此，旋轉螺旋不會與管壁直接接觸，不會損壞管內壁的防腐蝕保護膜，更不必擔心磨損管壁問題。彭德其等［8］也通過實驗研究得到塑料螺旋線管的自動清洗能力較強，而且比較均勻，對管壁沒有磨損現象，完全可以滿足要求。

4 結語

目前對管內插入扭帶基本還處于研究階段，值得繼續研究的是如何最大限度的提高管內擾流件的自動清洗強度，從而進一步提高傳熱效率。可以從擾流件的結構形式及其幾何尺寸方面考慮。但是扭帶的種種優點決定了它必將得到廣泛應用。本文通過對管內插入扭帶技術的總結，希望能對從事強化換熱和除垢技術研究的工作者提供一定的參考。

［1］ 崔海亭，彭培英.強化傳熱新技術及其應用［M］.北京:化學工業出版社，2006.

［2］ 張永秋，林清宇，生建文，等.內插物強化傳熱及防垢除垢技術的研究進展［J］.化工中間體，2008，(12):15－19.

［3］ 韓澤光，華賁，魏耀東.傳遞過程強化的新途徑—場協同［J］.自然雜志，2002，24(5)，273－227.

［4］ 過增元，黃素逸.場協同原理與強化傳熱新技術［M］.北京:中國電力出版社，2004.

［5］ 孟繼安，陳澤敬，李志信，過增元.管內對流換熱的場協同分析及換熱強化［J］.工程熱物理學報，2003，24(4):652－654.

［6］ 孟繼安，過增元，李志信.應用場協同理論的多縱向渦強化換熱管［J］.動力工程，2005，25(3):404－407.

［7］ 張華，周強泰.管內扭帶傳熱與流動阻力的實驗研究［J］.物理測試，2005，9，5(23):15－18.

［8］ 彭德其，俞秀民，張柱銀，等.傳熱管內污垢自動清洗螺旋線的低速強化與防磨損技術［J］.清洗技術，2003(10):7－10.

［9］ 張琳，錢紅衛，宣益民，等.自傳螺旋扭帶管內三維流動與傳熱數值模擬［J］.化工學報，2005，56(9):1633－1637.

［10］ 唐志偉，閆桂蘭，高麗麗.管內插入扭帶的強化傳熱數值模擬［J］.工程熱物理學報，2008，29(7):1211－1214.

［11］ 李群松，陳東旭，向寓華，等.傳熱管內結晶鹽螺旋自轉保潔技術試驗研究［J］.熱科學與技術，2008，7(3):217－219.

Progress in Study on Heat Transfer Enhancement for Tube Insert and Scale Removal

MA Qiang
(Department of Thermal Engineering，Chengde Petroleum College，Chengde 067000，Hebei，China)

This article introduced the characteristics of heat transfer enhancement for tube insert，and the field synergy theory was used to explain the mechanism of heat transfer，especially in velocity vector field and heat flow vector field synergy between the effects of heat transfer process.In recent years，researchers have summarized the insertion of the tube with enhanced heat transfer and scale removal.Suggestions have been given for future research.

heat transfer enhancement;inserts;scale removal;progress

TK124

B

1008-9446(2011)04-0030-04

2011-07-16

馬強(1980－)男，河北保定人，承德石油高等專科學校熱能工程系助教，主要從事傳熱學及熱能動力類教學與科研工作。