管殼式換熱器換熱管的傳熱強(qiáng)化

李若蘭，丁 杰，霍正齊

(武漢新世界制冷工業(yè)有限公司，湖北武漢430023)

1 引言

強(qiáng)化傳熱技術(shù)是指能顯著改善傳熱效果、提高傳熱速率的技術(shù)，能實(shí)現(xiàn)設(shè)備投資和運(yùn)行費(fèi)用最低，實(shí)現(xiàn)能源的合理利用。強(qiáng)化傳熱技術(shù)在石油、化工、動(dòng)力、核能、制冷、乃至國(guó)防工業(yè)等領(lǐng)域中己經(jīng)得到廣泛應(yīng)用。

傳熱的基礎(chǔ)設(shè)備是換熱器，管殼式換熱器在換熱器中占主導(dǎo)地位，其不僅結(jié)構(gòu)堅(jiān)固，同時(shí)具有高度的可靠性和廣泛的適應(yīng)性，目前管殼式換熱器的用量約占全部換熱器70%［1］。提高管殼式換熱器的傳熱效率，一般從兩個(gè)方面，一方面是改善殼程結(jié)構(gòu)，促進(jìn)流體湍流，提高殼程換熱效率，另一方面是強(qiáng)化換熱元件—換熱管，提高換熱管的傳熱效率。

換熱管的強(qiáng)化傳熱發(fā)展，按照國(guó)際權(quán)威Bergles劃分為三代:第一代為光滑管或光滑通道;第二代為平翅片、二維粗糙元、二維肋片管;第三代為三維粗糙元、三維肋片管［2］。

第二代強(qiáng)化換熱管，如螺旋槽管、橫紋管、縮放管、波紋管及翅片管等，國(guó)內(nèi)外進(jìn)行了大量的工作，對(duì)其流動(dòng)和傳熱特性進(jìn)行了廣泛的研究，傳熱機(jī)理已經(jīng)建立，制造工藝成熟，工程上已經(jīng)獲得廣泛應(yīng)用。

第三代強(qiáng)化換熱管:如針翅管、花瓣形管、斜針翅管等已被證實(shí)是更先進(jìn)的傳熱技術(shù)，目前仍在繼續(xù)發(fā)展中。

2 第二代強(qiáng)化換熱管

換熱管定量下擴(kuò)展傳熱面積，加強(qiáng)對(duì)流體的擾動(dòng)從而實(shí)現(xiàn)傳熱強(qiáng)化，迄今是強(qiáng)化傳熱研究最多的方法。

圖1 螺旋槽管結(jié)構(gòu)示意圖

2.1 螺旋槽管

螺旋槽管是由光管擠壓而成。管外表面壓出螺旋形的凹槽，管內(nèi)則形成螺旋形的肋。如圖1所示。

管內(nèi)流動(dòng)的流體在肋的前后產(chǎn)生了逆向壓力梯度，使流體產(chǎn)生分離旋渦，造成了傳熱邊界層的分離，螺旋肋對(duì)近壁面處的流體運(yùn)動(dòng)起著限制作用，使流體產(chǎn)生了螺旋運(yùn)動(dòng)，管內(nèi)流體運(yùn)動(dòng)的分離流和螺旋流并存，促進(jìn)流體邊界層的湍流，減薄層流厚度，加快由壁面至流體主體的熱量傳遞。管外流體掠過(guò)管束時(shí)，螺旋槽表面的凹槽促進(jìn)邊界層流體的分離和強(qiáng)化流體的擾動(dòng)，降低層流熱阻，提高傳熱效果。螺旋槽紋管具有雙面強(qiáng)化傳熱的作用，適用于對(duì)流、沸騰和冷凝等工況，抗污垢性能高于光管，傳熱性能較光管提高2～4倍，阻力損失和面積相同時(shí)換熱量提高30% ～40%［3］。

螺旋槽有不同的形式:W形螺旋槽、凹槽螺旋槽等。

2.2 橫紋管

橫紋管由光管滾扎而成。管外表面滾出凹橫紋，管內(nèi)形成橫向環(huán)肋。凹橫紋、環(huán)肋與管軸垂直。如圖2所示。

當(dāng)管內(nèi)流體流經(jīng)橫向環(huán)肋時(shí)，管壁附近形成軸向漩渦，增加了邊界層的擾動(dòng)，使邊界層分離，有利于熱量的傳遞。當(dāng)漩渦將要消失時(shí)流體又經(jīng)過(guò)下一個(gè)橫向環(huán)肋，產(chǎn)生新的渦流，如此往復(fù)，保持了穩(wěn)定的強(qiáng)化作用。管外凹槽使邊界層不斷分離，是雙面強(qiáng)化換熱管。橫紋管適用于對(duì)流、沸騰和冷凝等工況。橫紋管用于制冷系統(tǒng)臥式管殼式氨冷凝器時(shí)，傳熱系數(shù)是光管的1.65倍，可以減少傳熱面積40%。同時(shí)環(huán)肋存在擾動(dòng)流體使得橫紋管有良好的抗污垢性。

圖2 橫紋管結(jié)構(gòu)示意圖

圖3 縮放管結(jié)構(gòu)示意圖

2.3 縮放管

縮放管是由依次交替的漸縮管段與漸擴(kuò)管段構(gòu)成，滾軋或擠壓成形。如圖3所示。

單相流情況下，當(dāng)流體流過(guò)擴(kuò)張段時(shí)，流速降低，靜壓增加;在收縮段中流速增加，靜壓減小。擴(kuò)張段中由于產(chǎn)生正負(fù)壓反差使得流體回流，因而流體微團(tuán)產(chǎn)生回轉(zhuǎn)漩渦，提高傳熱效果。收縮段中，流體湍動(dòng)減少，但粘附層速度提高，帶動(dòng)邊界層，使流動(dòng)邊界層和傳熱邊界層相應(yīng)地減薄，從而提高傳熱效率。與其他強(qiáng)化管相比，流阻較小，而且由于縮放管曲面的過(guò)渡比較平滑，加上流速變化，產(chǎn)生湍流，換熱管表面不易產(chǎn)生結(jié)垢，因此尤為適用于含有埃塵流體的強(qiáng)化傳熱。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明縮放管結(jié)垢前對(duì)流放熱努塞爾數(shù)Nu是光管的約1.2倍，結(jié)垢后提高到約1.3倍，無(wú)論是傳熱或抗污垢均優(yōu)于光管［4］。

2.4 波紋管

波紋管是以普通光滑換熱管為基管，通過(guò)無(wú)切削滾扎使管內(nèi)外表面金屬塑性變形而成，如圖4所示。

圖4 波紋管結(jié)構(gòu)示意圖

管內(nèi)流體在波峰處速度降低、靜壓增大;波谷處速度增大、靜壓降低，流速壓力交替周期變化產(chǎn)生擾動(dòng)，使流體產(chǎn)生了劇烈的漩渦，沖涮邊界層，減薄了邊界層，提高換熱效果。

同時(shí)流體在波紋管的弧形段進(jìn)口處發(fā)生噴射效應(yīng)，在出口發(fā)生節(jié)流效應(yīng)，兩效應(yīng)的結(jié)果使管壁內(nèi)側(cè)發(fā)生無(wú)數(shù)小旋渦，加強(qiáng)了流體的湍流，也提高換熱效果。波紋管實(shí)現(xiàn)管內(nèi)外同時(shí)傳熱強(qiáng)化。適用于有對(duì)流、冷凝強(qiáng)化效果的工況。它可以使總傳熱系數(shù)提高2～3倍［5］。

波紋管的波形具有不同的形狀:鼓形、梯形、波節(jié)形等。

2.5 螺紋管

螺紋管又稱(chēng)低肋管。是普通光滑換熱管經(jīng)過(guò)軋制，在管外表面形成螺紋翅片的強(qiáng)化換熱管。如圖5所示。

螺紋管的強(qiáng)化作用是在管外。換熱強(qiáng)化機(jī)理:一方面螺紋肋片增加了換熱面積;另一方面是由于殼程介質(zhì)流經(jīng)螺紋管表面時(shí)，表面螺紋肋片對(duì)層流邊層產(chǎn)生分割作用，減薄了邊界層的厚度，同時(shí)表面形成的湍流也較光管強(qiáng)，進(jìn)一步減薄邊界層厚度。兩方面綜合作用的結(jié)果，使得具有較高的換熱能力。對(duì)殼程介質(zhì)的蒸發(fā)、冷凝、氣態(tài)流傳熱、液態(tài)流傳熱均有強(qiáng)化作用;螺紋管換熱器的適用場(chǎng)合:殼側(cè)介質(zhì)比較干凈、無(wú)腐蝕、不結(jié)垢。

螺紋管外表面面積比光管增加2．5倍以上，其總傳熱系數(shù)提高30%以上［6］。一般用于管內(nèi)傳熱系數(shù)比管外傳熱系數(shù)大1倍以上的場(chǎng)合。

2.6 翅片管

翅片管可用厚壁管連續(xù)通過(guò)多組擠壓輥，經(jīng)擠壓軋制，在變成薄壁管的過(guò)程中，多余金屬材料在管子外表面形成翅片。翅片管也稱(chēng)高肋管，如圖6所示。

這種管子擴(kuò)大了傳熱面積，同時(shí)也促進(jìn)流體的湍流，適用于殼程熱阻大于管程熱阻情況，通常殼程熱阻為管程2倍以上適用效果顯著。已經(jīng)獲得廣泛應(yīng)用:石油、化工、制冷、動(dòng)力、核能、余熱回收、廢氣回收等工程都可以見(jiàn)到翅片管的運(yùn)用。

翅片管有不同的翅形:T型翅片管、鋸齒形翅片管、三角形翅片管、E形翅片管、矩形翅片管等，翅片的方向有縱向的也有橫向的，如圖7、圖8所示。

圖5 螺紋管結(jié)構(gòu)示意圖

圖6 翅片管結(jié)構(gòu)示意圖

圖7 縱向翅片管

圖8 橫向翅片管

翅片管有外翅片管和內(nèi)翅片管。

3 第三代強(qiáng)化換熱管

原理上也是換熱管定量下擴(kuò)展換熱面積，加強(qiáng)對(duì)流體的擾動(dòng)實(shí)現(xiàn)傳熱強(qiáng)化，只是傳熱管內(nèi)或管外的肋或翅片或凹陷是不連續(xù)的，翅片頂部、根部相互斷開(kāi)形成一個(gè)個(gè)獨(dú)立體。流體經(jīng)過(guò)這些獨(dú)立的肋、翅片、凹陷時(shí)，將形成三元流動(dòng)，因而稱(chēng)這種強(qiáng)化傳熱管為三維換熱管。

圖9 三維花瓣型翅片管示意圖

圖10 花瓣型三維換熱管實(shí)物圖片(1)

3.1 三維外肋管

3.1.1 花瓣管

花瓣型翅片從翅頂?shù)匠岣急桓盍验_(kāi)，翅片側(cè)面呈一定的弧線(xiàn)，并有相對(duì)較小的曲率半徑。從截面看，各翅片象花瓣，因此得名花瓣管。如圖9所示。

花瓣型翅片管的加工過(guò)程:先在基管外滾壓出一次翅，再在一次翅的基礎(chǔ)上用特制刀具犁切－擠壓出花形翅片。

管外流體流過(guò)時(shí)，間斷的翅片反復(fù)地激發(fā)傳熱邊界層上的湍流度，使傳熱滯流底層減薄或斷裂從而起到強(qiáng)化傳熱效果，同時(shí)翅片存在增加了傳熱面積，從而提高傳熱效率。實(shí)物圖片見(jiàn)圖10?？諝庠诹⑹焦饣芎突ò旯苈菪鲃?dòng)時(shí)傳熱性能試驗(yàn)表明:花瓣齒高1.5mm，間距1.0mm時(shí)，花瓣管外空氣對(duì)流換熱系數(shù)是光滑管的1.48～3.24 倍［7］。

花瓣管能顯著的強(qiáng)化潤(rùn)滑油、空氣的對(duì)流傳熱和混合蒸汽的冷凝傳熱。文獻(xiàn)表明，螺旋隔板花瓣管空氣冷卻器的總傳熱系數(shù)比螺旋隔板低肋管空氣冷卻器提高20%～30%，同時(shí)壓降降低10%～30%。

3.1.2 針翅管

圖11 斜針翅三維換熱管示意圖

針翅管如圖11示意，光管外表面有圓桿狀針翅，周向和軸向等間距順序排列，傾斜或垂直焊接在基管外表面上，焊接管加工耗時(shí)。針翅的大小、密度均對(duì)傳熱效果有影響。整體式在管子外表面上采用機(jī)械方法直接加工出針翅，針翅小而且密。

針翅管的傳熱機(jī)理:首先針翅管的肋化系數(shù)高，一般高于螺紋管1.5倍以上，其次針翅存在不斷使流體產(chǎn)生繞流，邊界層不斷受擾動(dòng)減薄，再則斜針翅使得流體在經(jīng)過(guò)針翅繞流時(shí)產(chǎn)生速度梯度，加速邊界層的分離，從而強(qiáng)化傳熱。整體式針翅管實(shí)物如圖12;焊接式針翅管實(shí)物圖片如圖13。用整體式針翅管作為換熱管的潤(rùn)滑油冷卻器進(jìn)行不同試驗(yàn)條件，不同針翅的間距、針翅的高度下考察冷卻器傳熱性能，試驗(yàn)結(jié)果證實(shí)針翅管對(duì)潤(rùn)滑油冷卻傳熱有明顯的強(qiáng)化作用，相同條件下針翅管的總傳熱系數(shù)比光滑管提高1～4倍［8］。

圖12 整體斜針翅三維換熱管實(shí)物圖片

圖13 焊接針翅換熱管實(shí)物圖片(2)

水、VG32液壓油冷卻器實(shí)驗(yàn)中，在相同的雷諾數(shù)Re下，螺旋折流板斜針翅管換熱器的努謝爾數(shù)Nu是螺旋折流板螺紋管換熱器的1.6～2.6倍［9］。即斜針翅管比螺紋管有更高的傳熱性能。

3.1.3 菱形翅片管

菱形狀的翅片分布在管基體的外表面。如圖14所示。

菱形翅片管由光管一般經(jīng)過(guò)兩次成形，首先在基管外滾壓出V形槽，再進(jìn)行犁切、擠壓形成菱形翅片。

當(dāng)用于冷凝強(qiáng)化傳熱時(shí)，由于其三維翅片的特殊結(jié)構(gòu)造成翅片表面液膜的表面張力分布出現(xiàn)根部大，頂部小，液膜被拉向根部，使三維翅片表面的液膜厚度大幅度的減薄，熱阻減小，從而提高換熱效果。對(duì)流傳熱時(shí)流體流經(jīng)菱形翅片表面時(shí)，周期性擾動(dòng)傳熱邊界層，提高對(duì)流傳熱膜系數(shù)。

圖14 菱形翅片管結(jié)構(gòu)示意圖

圖15 菱形翅片管實(shí)物圖片(3)

菱形翅片管的三維翅片可以提高冷凝器的總傳熱系數(shù)和殼側(cè)冷凝傳熱膜系數(shù)，能夠較好地強(qiáng)化冷凝傳熱［10］。

相同流速范圍，殼程支撐結(jié)構(gòu)均采用螺旋折流板，菱形換熱管的殼程膜傳熱系數(shù)比光管提高54% ～108%［11］。

菱形翅片管實(shí)物圖片如圖15。

3.2 三維內(nèi)肋翅片管

三維內(nèi)肋翅片管即換熱管內(nèi)表面肋是三維的。三維肋的翅形通常有花瓣形、針形、菱形。實(shí)物圖片見(jiàn)圖16

三維內(nèi)肋翅片管通常由專(zhuān)用機(jī)床加工制造。

三維內(nèi)肋管傳熱機(jī)理是，介質(zhì)在流經(jīng)三維肋后形成卡曼渦街的流動(dòng)狀態(tài)，這種流動(dòng)促進(jìn)了流體的湍流，流體流經(jīng)肋間時(shí)，速度加快，減薄了邊界層厚度，肋的存在增加流動(dòng)湍流，從而強(qiáng)化管內(nèi)無(wú)相變傳熱。

三維內(nèi)肋擴(kuò)大了換熱面積，但是換熱管的當(dāng)量直徑變小。

《三維內(nèi)肋管強(qiáng)化傳熱技術(shù)研究及應(yīng)用》為新能源與高效節(jié)能高新技術(shù)領(lǐng)域的國(guó)家科技成果。對(duì)三維內(nèi)肋管的強(qiáng)化換熱性能進(jìn)行了系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)研究，獲得了工質(zhì)物性、流態(tài)、兩相流型、肋結(jié)構(gòu)參數(shù)等對(duì)換熱和流動(dòng)阻力特性的影響，獲得了換熱和流動(dòng)阻力實(shí)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式，提出了完整的設(shè)計(jì)計(jì)算方法(5)。

圖16 三維內(nèi)肋管實(shí)物圖片(4)

4 結(jié)語(yǔ)

第三代的強(qiáng)化傳熱元件，彌補(bǔ)了第二代低肋強(qiáng)化傳熱管存在的各種不足，通過(guò)擴(kuò)大管內(nèi)外傳熱面積，促進(jìn)流體在管內(nèi)外表面的湍動(dòng)，減少了流體邊界層厚度，能進(jìn)一步提高傳熱性能。實(shí)質(zhì)上實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗。

但是傳熱元件傳熱性能的提高有限度，不可能無(wú)止境，隨著高新技術(shù)的發(fā)展，強(qiáng)化傳熱技術(shù)必然有新方法、新手段出現(xiàn)，已經(jīng)有報(bào)道:納米材料其獨(dú)特的功能為強(qiáng)化傳熱技術(shù)發(fā)展提供了新的途徑，同時(shí)積累了一定量的強(qiáng)化傳熱技術(shù)數(shù)據(jù)，需要進(jìn)一步加強(qiáng)基礎(chǔ)研究，爭(zhēng)取早日實(shí)現(xiàn)工業(yè)應(yīng)用。

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(1)花瓣型花瓣型翅片管與低肋管外的冷凝傳熱性能對(duì)比［EB/OL］．http:∥www.docin.com/p－582743584.html

(2)產(chǎn)品介紹［EB/OL］．http:∥www.chnlsw.cn/web/co/co1/productshow.asp·user=114530＆id=430435

(3)大慶石油化工機(jī)械廠(chǎng)產(chǎn)品展示

(4)強(qiáng)化傳熱技術(shù)及高效節(jié)能設(shè)備［EB/OL］．http:∥wenku.baidu.com/view/1743b418a8114431b90dd854.htm

(5)國(guó)家科技成果 ［EB/OL］．http:∥www.kj863.com/tm/detail/－341636249