螺旋槽紋管在強化傳熱技術中的應用與發展狀況

劉 超（安徽理工大學機械工程學院,安徽 淮南232001）

螺旋槽紋管在強化傳熱技術中的應用與發展狀況

劉 超
（安徽理工大學機械工程學院,安徽 淮南232001）

摘 要：本文首先對強化傳熱簡單敘述，介紹了國內外研究現狀與發展動態，并對螺旋槽紋管強化換熱機理進行分析。螺旋槽紋管強化換熱分為無相變強化換熱和有相變強化換熱，重點介紹了兩種強化換熱機理，針對本文研究的無相變強化換熱，分析了對流換熱的邊界層熱阻，提出了降低邊界層熱阻、減薄邊界層厚度是螺旋槽管強化換熱的主要機理。

關鍵詞：螺旋槽紋管；國內外研究現狀；傳熱機理

1 螺旋槽紋管介紹

螺旋槽管，也被稱作螺旋槽紋管，其結構示意圖如圖3所示，主要包括管徑、槽深、螺距、槽寬等。螺旋槽管是一種高效換熱異形管，它是管殼式換熱器中最常用的一種傳熱元件。螺旋槽管之所以能廣泛應用于眾多強化設備中，主要是由于其管壁上分布的一圈圈螺旋型的凹槽和凸起，這些凹槽和凸起能在對流換熱中顯著提高換熱系數，起到強化換熱作用。

螺旋槽管的第一次試驗成功是B&W公司（美國）于1956年完成的[1]，螺旋槽紋管的產生和發展是基于研究電站的鍋爐里管子燒壞現象。自從產生了這種螺旋槽紋管，研究就沒有停止過，不僅是國外做了很多關于此管的研究，國內也同樣對該管的流動以及換熱性能進行了深入的研究。螺旋槽紋管用于強化管內的液體或者是氣體的傳熱，強化管外蒸汽的冷凝以及管內液體的沸騰同樣有著顯著作用。

螺旋槽管是在光滑圓管外表面采用軋制方法加工出螺旋形溝槽，其主要結構參數有內徑D，螺距P，槽深e，壁厚b，槽寬h、螺旋角β 和頭數N等。與其他的異型管相比，螺旋槽紋管的優點是制作的工藝較簡單，加工時較方便，相比阻力增加幅度，其優點為傳熱能力會有較大的提高。

2 螺旋槽管的研究現狀

螺旋槽紋管作為一種高效換熱異形管，對其研究一直不斷，在國民經濟中占有重要地位。近年來，國內外學者將螺旋槽管強化換熱研究工作放在有相變冷凝換熱和無相變對流換熱兩個方面。主要研究方法有2類：

（1）實驗研究。實驗研究是螺旋槽管換熱研究的主要方法之一。自從美國學者Lawson對螺旋槽管強化換熱研究的第一篇研究報告發表以來，引起了世界各國的高度重視和廣泛研究[2]。由于不同結構尺寸的螺旋槽管，其換熱性能均不一樣，同時研究還表明換熱工質對螺旋槽管的綜合性能影響也較大，因此國內外學者針對不同結構尺寸以及不同換熱工質的螺旋槽管，進行了大量理論與實驗研究，并將實驗結果整理成相關關聯式。日本學者吉富英明對單頭螺旋槽管進行了大量的實驗研究，并以水為工質進行了大量的實驗，將得到的實驗數據整理成關聯式。

國內學者針對螺旋槽管換熱及管內流動也進行了大量的研究，并取得了一定的成果。華南理工大學鄧先和、鄧頌九等人[3]針對工質在粗糙管內換熱及流動特性進行了實驗研究，得到粗糙管內換熱及流動性能是光管的1.9倍。東南大學針對螺旋槽管的管內流動、強化換熱等也進行了廣泛研究[4]，為了獲得管內實際的流動狀態，他們采用氫氣泡示蹤法對其進行可視化研究，掌握了螺旋槽管內流動相關規律。

（2） 數值研究。除了實驗研究以外，針對螺旋槽紋管的研究還有數值模擬研究，相對于實驗研究，數值模擬研究性價比更高，例如在產品開發初期，可以采用數值模擬方法研究新結構管型的綜合換熱性能，在數值模擬研究通過的情況下，再利用實驗研究確定其最終綜合性能，達到縮減產品開發周期目的。

3 螺旋槽管的發展趨勢

伴隨著螺旋槽紋管的誕生與發展，人們對其已進行了各種形式的研究，并取得了一定的成果。但由于每個人采取的研究方法不相同，得到的傳熱與流動關聯式適用情況也不一致。絕大多數學者對螺紋管流動與換熱的研究，選擇的工質是以水和空氣為主的，而采取其他物性的換熱介質研究較少。因此，以往的研究還是存在部分局限性。

雖然對于螺旋槽紋管的研究，現在普遍采用數值模擬方法進行，但是由于管內流體流動的復雜性，數值模擬研究采用的湍流模型并不能準確反映實際情況下管內流動狀況，因此為了使數值模擬研究得到的結果更接近實際值，我們有必有對數值模擬研究的湍流模型進行完善。

隨著研究方法的不斷進步，今后對螺旋槽管的研究主要朝以下幾個方面發展：

（1）理論研究。研究新理論、新方法，進一步剖析螺紋管的強化傳熱機理，完善現有對螺紋管流動與傳熱研究的數學模型。掌握螺紋管在不同的工況下傳熱與流阻的定量關系，將實驗得到的數據整理成通用性較大的關聯式。優化螺旋槽管結構參數：槽深e、螺距p、螺旋升角β、頭數N等，使螺旋槽管傳熱更好及流動阻力更低，這是我們所想要的 ，也是我們今后研究的主要內容。

（2）利用計算機進行模擬和可視化研究。考慮到換熱管內流動和熱量交換的復雜性，理論研究有其局限性，為了更清楚的掌握螺旋槽管在換熱過程中管內流動狀況，我們可以借助現代的研究方法，例如：激光測速、紅外攝像等可視化技術以及數值模擬軟件，例如：Fluent、CFX等，借助這些方法來更好的研究螺旋槽管換熱過程中的流場和溫度場分布情況，便于我們進一步的了解螺旋槽管的強化傳熱機理。

（3）開發新模型和新方法。由于螺旋槽管管內流動以及換熱過程十分復雜，雖然利用計算機進行數值模擬研究成本低、周期短，但是受計算機和湍流模型的限制，模擬結果與實際結果有一定的差距，因此，今后的研究可以從優化湍流模型和開發新的計算方法兩方面著手，例如：數值模擬研究采用的紊流模型有Klε模型、Laminar、Inviscid，結合我們的研究對象，優化數值模擬的湍流模型是提高計算精度行之有效的方法。針對螺旋槽管的強化傳熱研究開發一些新方法，也是今后研究的方向，可以在現有的研究方法上，開發一些新方法使我們的研究更先進。

隨著社會的發展，螺旋槽管的工業應用必將越來越廣泛，伴隨著螺旋槽管的性能研究也將逐步深入下去。

參考文獻：

[1] 錢頌文，朱冬生，李慶領等.管式換熱器強化傳熱技術[M]. 北京:化學工業出版社,2003.

[2] 趙信，王瑞君，姚仲鵬. 螺旋型表面強化管現狀與進展[J]. 石油化工設備, 2003(03):57-60.

[3] 鄧先和，鄧頌九,葉國興.螺旋槽管管殼式換熱器的傳熱與流阻研究[J]. 化學工程,1991(01):12-14.

[4] 郭瑩，余敏，盧政等.單螺旋槽套管式冷凝器結構參數優化研究[J]. 工程熱物理學報，2006,27(增刊2):126-127.