劉 超（安徽理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院,安徽 淮南232001）

螺旋槽紋管在強(qiáng)化傳熱技術(shù)中的應(yīng)用與發(fā)展?fàn)顩r

劉 超
（安徽理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院,安徽 淮南232001）

摘 要：本文首先對強(qiáng)化傳熱簡單敘述，介紹了國內(nèi)外研究現(xiàn)狀與發(fā)展動態(tài)，并對螺旋槽紋管強(qiáng)化換熱機(jī)理進(jìn)行分析。螺旋槽紋管強(qiáng)化換熱分為無相變強(qiáng)化換熱和有相變強(qiáng)化換熱，重點(diǎn)介紹了兩種強(qiáng)化換熱機(jī)理，針對本文研究的無相變強(qiáng)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(qiáng)化換熱的主要機(jī)理。

關(guān)鍵詞：螺旋槽紋管；國內(nèi)外研究現(xiàn)狀；傳熱機(jī)理

1 螺旋槽紋管介紹

螺旋槽管，也被稱作螺旋槽紋管，其結(jié)構(gòu)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(yīng)用于眾多強(qiáng)化設(shè)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(shù)，起到強(qiáng)化換熱作用。

螺旋槽管的第一次試驗(yàn)成功是B&W公司（美國）于1956年完成的[1]，螺旋槽紋管的產(chǎn)生和發(fā)展是基于研究電站的鍋爐里管子燒壞現(xiàn)象。自從產(chǎn)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(guān)于此管的研究，國內(nèi)也同樣對該管的流動以及換熱性能進(jìn)行了深入的研究。螺旋槽紋管用于強(qiáng)化管內(nèi)的液體或者是氣體的傳熱，強(qiáng)化管外蒸汽的冷凝以及管內(nèi)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(jié)構(gòu)參數(shù)有內(nèi)徑D，螺距P，槽深e，壁厚b，槽寬h、螺旋角β 和頭數(shù)N等。與其他的異型管相比，螺旋槽紋管的優(yōu)點(diǎn)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(yōu)點(diǎn)為傳熱能力會有較大的提高。

2 螺旋槽管的研究現(xiàn)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(jīng)濟(jì)中占有重要地位。近年來，國內(nèi)外學(xué)者將螺旋槽管強(qiáng)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(shí)驗(yàn)研究。實(shí)驗(yàn)研究是螺旋槽管換熱研究的主要方法之一。自從美國學(xué)者Lawson對螺旋槽管強(qiáng)化換熱研究的第一篇研究報(bào)告發(fā)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(jié)構(gòu)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(zhì)對螺旋槽管的綜合性能影響也較大，因此國內(nèi)外學(xué)者針對不同結(jié)構(gòu)尺寸以及不同換熱工質(zhì)的螺旋槽管，進(jìn)行了大量理論與實(shí)驗(yàn)研究，并將實(shí)驗(yàn)結(jié)果整理成相關(guān)關(guān)聯(lián)式。日本學(xué)者吉富英明對單頭螺旋槽管進(jìn)行了大量的實(shí)驗(yàn)研究，并以水為工質(zhì)進(jìn)行了大量的實(shí)驗(yàn)，將得到的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)整理成關(guān)聯(lián)式。

國內(nèi)學(xué)者針對螺旋槽管換熱及管內(nèi)流動也進(jìn)行了大量的研究，并取得了一定的成果。華南理工大學(xué)鄧先和、鄧頌九等人[3]針對工質(zhì)在粗糙管內(nèi)換熱及流動特性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，得到粗糙管內(nèi)換熱及流動性能是光管的1.9倍。東南大學(xué)針對螺旋槽管的管內(nèi)流動、強(qiáng)化換熱等也進(jìn)行了廣泛研究[4]，為了獲得管內(nèi)實(shí)際的流動狀態(tài)，他們采用氫氣泡示蹤法對其進(jìn)行可視化研究，掌握了螺旋槽管內(nèi)流動相關(guān)規(guī)律。

（2） 數(shù)值研究。除了實(shí)驗(yàn)研究以外，針對螺旋槽紋管的研究還有數(shù)值模擬研究，相對于實(shí)驗(yàn)研究，數(shù)值模擬研究性價比更高，例如在產(chǎn)品開發(fā)初期，可以采用數(shù)值模擬方法研究新結(jié)構(gòu)管型的綜合換熱性能，在數(shù)值模擬研究通過的情況下，再利用實(shí)驗(yàn)研究確定其最終綜合性能，達(dá)到縮減產(chǎn)品開發(fā)周期目的。

3 螺旋槽管的發(fā)展趨勢

伴隨著螺旋槽紋管的誕生與發(fā)展，人們對其已進(jìn)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(guān)聯(lián)式適用情況也不一致。絕大多數(shù)學(xué)者對螺紋管流動與換熱的研究，選擇的工質(zhì)是以水和空氣為主的，而采取其他物性的換熱介質(zhì)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(xiàn)在普遍采用數(shù)值模擬方法進(jìn)行，但是由于管內(nèi)流體流動的復(fù)雜性，數(shù)值模擬研究采用的湍流模型并不能準(zhǔn)確反映實(shí)際情況下管內(nèi)流動狀況，因此為了使數(shù)值模擬研究得到的結(jié)果更接近實(shí)際值，我們有必有對數(shù)值模擬研究的湍流模型進(jìn)行完善。

隨著研究方法的不斷進(jìn)步，今后對螺旋槽管的研究主要朝以下幾個方面發(fā)展：

（1）理論研究。研究新理論、新方法，進(jìn)一步剖析螺紋管的強(qiáng)化傳熱機(jī)理，完善現(xiàn)有對螺紋管流動與傳熱研究的數(shù)學(xué)模型。掌握螺紋管在不同的工況下傳熱與流阻的定量關(guān)系，將實(shí)驗(yàn)得到的數(shù)據(jù)整理成通用性較大的關(guān)聯(lián)式。優(yōu)化螺旋槽管結(jié)構(gòu)參數(shù)：槽深e、螺距p、螺旋升角β、頭數(shù)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(nèi)容。

（2）利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行模擬和可視化研究?？紤]到換熱管內(nèi)流動和熱量交換的復(fù)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(nèi)流動狀況，我們可以借助現(xiàn)代的研究方法，例如：激光測速、紅外攝像等可視化技術(shù)以及數(shù)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(jìn)一步的了解螺旋槽管的強(qiáng)化傳熱機(jī)理。

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

隨著社會的發(fā)展，螺旋槽管的工業(yè)應(yīng)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(xiàn)：

[1] 錢頌文，朱冬生，李慶領(lǐng)等.管式換熱器強(qiáng)化傳熱技術(shù)[M]. 北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2003.

[2] 趙信，王瑞君，姚仲鵬. 螺旋型表面強(qiáng)化管現(xiàn)狀與進(jìn)展[J]. 石油化工設(shè)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(xué)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(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化研究[J]. 工程熱物理學(xué)報(bào)，2006,27(增刊2):126-127.