管內(nèi)螺旋彈簧式插入物強(qiáng)化傳熱研究進(jìn)展

＊?jiǎng)⑽那?楊國(guó)蓉 郭麗＊

（銀川能源學(xué)院石油化工系 寧夏 750105）

管內(nèi)螺旋彈簧式插入物強(qiáng)化傳熱研究進(jìn)展

＊?jiǎng)⑽那?楊國(guó)蓉 郭麗＊

（銀川能源學(xué)院石油化工系 寧夏 750105）

利用管內(nèi)插入物強(qiáng)化傳熱是目前最為常見(jiàn)的強(qiáng)化傳熱方式之一，管內(nèi)插入物容易加工，拆裝方便，可以顯著提高已有換熱器的換熱性能，大大減少設(shè)備投資，節(jié)約資源，降低能耗。由于插入物形狀的差異，不同插入物強(qiáng)化傳熱的效果也大不相同，因此，選擇性能優(yōu)良的管內(nèi)插入物對(duì)于強(qiáng)化傳熱至關(guān)重要。本文主要介紹管內(nèi)新型螺旋彈簧式插入物的結(jié)構(gòu)、強(qiáng)化傳熱的原理以及強(qiáng)化傳熱在工業(yè)應(yīng)用中的前景。

傳熱元件；螺旋彈簧；強(qiáng)化傳熱

1.引言

在化工、石油、制藥、輕工、食品及能源等領(lǐng)域中傳熱操作隨處可見(jiàn)，因此換熱器的應(yīng)用相當(dāng)廣泛，其用量占全部工業(yè)換熱器的70%。為了節(jié)能降耗、綠色環(huán)保、提高工業(yè)生產(chǎn)經(jīng)濟(jì)效益，在換熱過(guò)程中強(qiáng)化傳熱具有良好的發(fā)展前景。強(qiáng)化傳熱的途徑有三種，分別是提高換熱器的傳熱系數(shù)、增大換熱器的換熱面積、增大平均溫度差，目前最有潛力的強(qiáng)化傳熱方法是通過(guò)提高傳熱系數(shù)來(lái)增大換熱速率。大量的研究工作表明在換熱器管內(nèi)插入內(nèi)插件可有效提高換熱器的傳熱系數(shù)，管內(nèi)插入物能有效增強(qiáng)湍流程度，使層流內(nèi)層變薄，改善換熱器的傳熱性能。管內(nèi)螺旋線圈插入物對(duì)提高管內(nèi)的傳熱系數(shù)是一種行之有效的手段，它不影響換熱部件的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，便于拆裝、檢修和更換，它具有較好的抗結(jié)垢性能，使得它在使用現(xiàn)場(chǎng)用來(lái)強(qiáng)化管內(nèi)煙氣側(cè)的換熱、降低排煙溫度、解決積灰堵灰問(wèn)題具有很強(qiáng)的生命力。

2.常見(jiàn)強(qiáng)化傳熱元件及性能比較

良好的傳熱效率對(duì)于現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)來(lái)說(shuō)是至關(guān)重要的，良好的傳熱效率一方面可以降低能耗，另一方面也能極大的減少成本，增加經(jīng)濟(jì)效益，但在實(shí)際生產(chǎn)中往往會(huì)事與愿違，在原料、環(huán)境、操作以及設(shè)備本身問(wèn)題影響下，實(shí)際生產(chǎn)中的傳熱效率并不是很高，因此如何提高傳熱效率是現(xiàn)代工業(yè)急需解決的問(wèn)題。通過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的研究，人們發(fā)現(xiàn)在管道內(nèi)設(shè)置一個(gè)插入物通過(guò)形成旋轉(zhuǎn)流從而破壞邊界層，中心流體與管壁流體產(chǎn)生置換作用產(chǎn)生二次流，改變流體的湍動(dòng)程度，破壞層流內(nèi)層，會(huì)顯著提高傳熱效率。由于管內(nèi)插入物的材質(zhì)和形狀的不同其傳熱機(jī)理也各不相同，根據(jù)國(guó)內(nèi)外研究情況，當(dāng)下較為常見(jiàn)的管內(nèi)插入物種類(lèi)有：環(huán)式、拉希格圖、盤(pán)式、螺旋線、螺旋片、紐帶、錯(cuò)開(kāi)紐帶、靜態(tài)混合器、交叉鋸齒帶、球體內(nèi)插件和絲網(wǎng)內(nèi)插件等。

紐帶是由金屬薄片螺旋加工而成，流體在紐帶作用下既有旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，又有軸向運(yùn)動(dòng)，兩種運(yùn)動(dòng)疊加后形成了螺旋流動(dòng)，在流量不變的情況下，軸向速度不變，但由于旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的存在，使得兩運(yùn)動(dòng)疊加后的速度相較于單一的軸向運(yùn)動(dòng)速度有了極大的提升，流速的增大使得剪應(yīng)力隨之增大，破壞了層流內(nèi)層，增強(qiáng)了傳熱效果。另外，流體螺旋運(yùn)動(dòng)時(shí)在離心力的作用下形成了二次流，大量流體沖刷管壁使層流內(nèi)層的厚度變薄，增強(qiáng)了傳熱效果。靜態(tài)混合器通過(guò)改變流體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)和方向，使得流體充分混合，流動(dòng)速度更加均勻平穩(wěn)，并且增加了流體對(duì)管壁的沖刷力度，降低層流內(nèi)層的同時(shí)還可以避免管道結(jié)垢。

螺旋線圈是由金屬絲繞制而成類(lèi)似于彈簧的形狀，彈簧線圈可以增加流體的湍動(dòng)程度，使層流內(nèi)層的厚度減小，起到強(qiáng)化傳熱的效果，另外彈簧線圈結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制作方便，只對(duì)管壁附近的流體產(chǎn)生擾動(dòng)而不影響管道中心流體的流動(dòng)狀況，在壓降不是太高的情況下，強(qiáng)化傳熱的效果優(yōu)于紐帶，可以作為管內(nèi)強(qiáng)化傳熱的插入物。就目前的研究結(jié)果來(lái)看螺旋線圈對(duì)流速較低的油、水等介質(zhì)有明顯的強(qiáng)化傳熱作用，對(duì)流速較低的氣體介質(zhì)也有較好的強(qiáng)化傳熱效果，研究表明，螺旋線圈強(qiáng)化傳熱是擾動(dòng)與管壁接觸的層流內(nèi)層來(lái)實(shí)現(xiàn)的，因此合理的選用螺旋線圈的材料、直徑既能破壞層流內(nèi)層增加流體的擾動(dòng)，又不至于使管內(nèi)阻力過(guò)大，在這樣的情況下螺旋線圈會(huì)起到明顯的強(qiáng)化傳熱效果。

3.帶支點(diǎn)的螺旋彈簧式插入物結(jié)構(gòu)及原理

(1)帶支點(diǎn)的螺旋彈簧式插入物結(jié)構(gòu)

螺旋彈簧線圈插入管內(nèi)可以起到破壞近管壁處流體層流底層的作用，因其阻力特性比其它種類(lèi)的插入物平坦，故這是一種早期應(yīng)用于強(qiáng)化過(guò)渡流及湍流傳熱的管內(nèi)插入物。不少研究工作者對(duì)這種插入物的強(qiáng)化傳熱性能和阻力特性進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)其主要取決于彈簧的3個(gè)幾何參數(shù)：線徑、圈徑及螺距。普通的螺旋彈簧線圈是由傳熱良好的金屬絲盤(pán)旋彎曲加工而成的類(lèi)似于彈簧的連續(xù)線圈，直徑小于所插入管道的直徑，線圈直接和管內(nèi)壁接觸，接觸面大而且多，流體流過(guò)管壁時(shí)阻力相對(duì)較大。本課題組成員在此基礎(chǔ)上對(duì)螺旋彈簧式內(nèi)插件做了相應(yīng)的改進(jìn)，即在螺旋彈簧線圈與管內(nèi)壁之間保持一定的距離，并選擇合適的間距設(shè)置支點(diǎn)，只有支點(diǎn)和管內(nèi)壁連接，其他部分懸空，設(shè)置的支點(diǎn)一方面防止線圈與管道內(nèi)壁直接接觸從而減少接觸面，降低了阻力，另一方面起到固定和支撐線圈的作用。流體在管道內(nèi)流過(guò)時(shí)在支點(diǎn)周?chē)鷷?huì)產(chǎn)生漩渦，漩渦的產(chǎn)生增大了流體的湍動(dòng)程度，使得層流邊界遭到破壞，對(duì)流傳熱系數(shù)得到顯著提高，另外，漩渦的存在使得污垢不易沉積，在間接強(qiáng)化傳熱的同時(shí)，還可以節(jié)約設(shè)備維護(hù)和檢修的費(fèi)用，帶支點(diǎn)的螺旋彈簧式內(nèi)插件具體結(jié)構(gòu)如圖1。

圖1 帶支點(diǎn)的螺旋彈簧強(qiáng)化傳熱元件結(jié)構(gòu)示意圖

(2)帶支點(diǎn)的螺旋彈簧式插入物設(shè)計(jì)原理

流體流經(jīng)管道時(shí)，受螺旋彈簧線圈的影響，要產(chǎn)生繞軸向的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，同時(shí)流體還有軸向流動(dòng)，在兩個(gè)運(yùn)動(dòng)共同作用下使流體呈現(xiàn)螺旋流動(dòng)。流體的這種螺旋流動(dòng)對(duì)于強(qiáng)化傳熱會(huì)帶來(lái)一定的益處：在相同的流量下，換熱管內(nèi)插螺旋線圈與無(wú)螺旋線圈時(shí)內(nèi)部流體有著相同的軸向速度，但是受螺旋線圈的影響流體要繞軸向作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，旋轉(zhuǎn)速度與軸向速度疊加使得有螺旋線圈時(shí)流體有著更大的流速，流體流速的增加伴隨著剪應(yīng)力的增大，這樣可以破壞管壁附近的邊界層，從而增強(qiáng)了傳熱效果。流體在螺旋流道內(nèi)作螺旋運(yùn)動(dòng)，受離心作用的影響，流體會(huì)有徑向速度分量，流體徑向流動(dòng)的結(jié)果是造成了流體的二次流，它直接沖刷管壁，促進(jìn)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。

管內(nèi)插入螺旋彈簧線圈時(shí)，線圈恰好與軸線成一定夾角，流體流動(dòng)時(shí)，除了產(chǎn)生邊界層分離外，還對(duì)強(qiáng)化傳熱作用不大但卻使流體阻力增大的螺旋流，使得管內(nèi)傳熱膜系數(shù)可達(dá)光管的1．5-2倍，管內(nèi)流動(dòng)沸騰傳熱膜系數(shù)的光管的2倍。螺旋彈簧線圈是自支撐結(jié)構(gòu)，其管內(nèi)相鄰長(zhǎng)軸處的點(diǎn)接觸支承管子，管內(nèi)流體受離心力的作用而周期性改變流體的流速和流動(dòng)方向，加強(qiáng)了流體的混合。同時(shí)，管內(nèi)流體經(jīng)過(guò)相鄰管子的螺旋線接觸點(diǎn)后形成脫離管壁的尾流，增強(qiáng)了流體自身的湍流程度，破壞了流體在管壁上的傳熱邊界層，從而達(dá)到強(qiáng)化了傳熱的目的，但同時(shí)也增大了阻力。與普通的螺旋彈簧式傳熱元件不同，帶支點(diǎn)的螺旋彈簧式內(nèi)插件與管壁的接觸點(diǎn)少，接觸面積小，在增加傳熱效率的同時(shí)，流體流動(dòng)的阻力相對(duì)較小。

4.總結(jié)及展望

在傳熱過(guò)程中不同的強(qiáng)化傳熱技術(shù)有不同的應(yīng)用場(chǎng)合，這些強(qiáng)化傳熱技術(shù)有的適用于特定的傳熱介質(zhì)和傳熱過(guò)程，有的對(duì)所有對(duì)流換熱狀態(tài)都有不同程度的強(qiáng)化作用。就目前來(lái)看，在強(qiáng)化傳熱的各類(lèi)措施中，通過(guò)管內(nèi)插入物來(lái)提高傳熱系數(shù)應(yīng)用最為廣泛，其中粗糙表面和螺旋彈簧式內(nèi)插件強(qiáng)化傳熱研究最多，發(fā)展也最快，被廣泛地應(yīng)用到各類(lèi)換熱設(shè)備中去。目前對(duì)管內(nèi)螺旋線圈插入物的研究一方面主要集中在獲得實(shí)驗(yàn)范圍內(nèi)的實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)則關(guān)聯(lián)式，為工業(yè)應(yīng)用提供設(shè)計(jì)依據(jù)。另一方面是考察不同因素對(duì)換熱強(qiáng)化和抗積灰等的影響，進(jìn)一步研究其機(jī)理，既為優(yōu)化結(jié)構(gòu)也為開(kāi)發(fā)出更好的內(nèi)插元件鋪平道路。

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Research Progress on Heat Transfer Enhancement of Helical Spring Inserts in Tubes

Liu Wenqin, Yang Guorong, Guo Li

（School of Petroleum and Chemistry, Yinchuan Energy Institute, Ningxia, 750105）

The use of heat transfer enhancement tube inserts is currently one of the most common way of strengthening heat transfer, pipe insert easy processing, tear open outft is convenient, can signifcantly improve the heat transfer performance of existing heat exchanger, greatly reduce equipment investment, save resources, reduce energy consumption. Due to differences in insert shape, the effect of different heat transfer enhancement insert is very different, therefore, choose the excellent performance of tube inserts is very important to strengthen heat transfer. This paper mainly introduces the structure of new type spiral spring insert inside, strengthening heat transfer principle and strengthening heat transfer in industrial application prospect.

heat transfer element；helical spring；strengthening heat transfer

T < class="emphasis_bold"> 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

A

劉文勤（1993～)，男，銀川能源學(xué)院石油化工系；研究方向：能源化學(xué)工程。

(責(zé)任編輯：李田田)

寧夏回族自治區(qū)大學(xué)生創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，編號(hào)NXCX2015377。

郭麗（1981～)，女，銀川能源學(xué)院石油化工系；研究方向：化工單元操作的教學(xué)及研究。