高效传热技术的研究现状及进展

强化传热技术是指能显著改善传热性能的节能新技术，其主要内容是采用强化传热元件和改进换热器结构，提高传热效率，从而使设备投资和运行费用达到最低。

迄今为止，强化传热技术在动力、核能、制冷、石油、化工乃至国防工业等领域中己得到广泛应用。

由于科学技术的飞速发展和能源的严重短缺，使强
化传热技术研究的深度和广度日益扩大并向新的领域渗透和发展，世界各主要工业国都对此进行了大量的研究开发工作。

换热器的结构从原来的弓形隔板加光滑管发展为管间支撑物加高效异型强化管，传热与流体阻力性能有了明显改善，具有耐高温、耐高压、结构简单、清洗方便等优点。

各种异形管的结构不同，但其强化传热机理大同小异，都是对管子进行各种细微加工，以期在管壁上形成有规律分布的凸起，或将管壁沿轴向制成波纹或螺旋凹槽。

传热面上各种形状的凸起，既是无源扰动的促进体，又能继续阻断边界层发展。

为此，国内外相继研制出了各种强化元件，如螺旋槽管、横纹管、缩放管及内翅管等，并对其流动和传热特性进行了大量研究工作。

本文对这些高效传热技术的研究现状及其进展情况进行了分析和介绍。

1螺旋槽管及其扩展技术
1.1螺旋槽管
在诸多管内传热的强化技术中，带波状表面的螺旋槽管（图1）具有优越的强化传热性能和抗污染性能。

图1螺旋槽管结构示意图
螺旋槽管的强化传热机理为：螺旋槽管可利用粗糙的传热肋面来促进流体边界层的湍流度，减薄传热滞流底层厚度，从而强化边界层传热，也强化了管内传热。

同时，对于管外流体横掠管束而言，螺旋槽管表面的凹槽有利于边界层流体的分离和强化流体的扰动。

因此管外流体的换热能力也有所提高。

这不仅降低了层流热阻，提高了液流传热系数，但同时也提高了液流的扰动性，使液体微团间产生相互混合掺混摩擦，消耗了部分能量，故而流阻高于光管。

节距p和槽深e是影响螺旋槽管传热的主要因素。

当节距一定，槽道越深或当槽深一定，节距越小时，螺旋槽管强化管外凝结换热的效果越显著。

槽道深度对液膜厚度的影响非常明显，在浅槽范围内，槽道越深，液膜越薄且均匀一致，强化传热的性能越好。

1.2异形凹槽螺旋槽管
在螺旋槽管的基础上开发出新型强化管-异形凹槽螺旋槽管（图2）。

异形凹槽螺旋槽管的螺旋凹槽剖面形状为非圆弧形，并采用半流线的型面，是一种管壁上具有外凹内凸的螺旋形槽的高效传热异形管。

这种异形管的凹槽前一半成流线型以减少流阻，后
高效传热技术的研究现状及进展
王斌斌，仇性启
（中国石油大学（华东）机电工程学院，山东东营257061）
摘要：简要介绍了多种高效传热技术，并分析了其传热机理、性能与构造特点。

阐述了强化传热元件的开发与应用。

通过分析总结可知采用高效传热技术，对于改善传热性能和节能降耗有着现实意义。

关键词：强化传热；传热性能；高效异型强化管
中图分类号：TK172文献标识码：A文章编号：1002-1639(2006)04-0048-04
Research Status and Developing Trend of Heat Transfer Technology
WANG Bin-bin，QIU Xing-qi
(Electromechanical Project Institute,China University of Petroleum(East China),Dongying257061，China)
Abstract:In this article,the author briefly introduces several of heat transfer technology and analyses the heat transfer mechanism.The per-formance and structure of new types of heat transfer elements are outlined.Development and application of enhanced heat transfer elements are described.It is practical for improving heat transfer ability and saving energy to use the heat transfer enhancement technology.
Key words:heat transfer enhancement；heat transfer performance；shaped enhanced tube
收稿日期：2005-12-26;修回日期：2006-05-15
作者简介：王斌斌（1981-），女，硕士研究生，主要研究方向为
强化传热.
图2异形凹槽螺旋槽管结构示意图
一半成陡壁使边界层产生分离。

在滞流区集中形成旋涡
以强化传热，而在离壁面的其它部位，特别是中心部分不生成旋涡，以免增加无谓的能耗。

管壁上的螺旋槽能在有相变和无相变的传热中显著提高管内外的传热系数，起到双边强化传热的作用。

1.3旋流管
旋流管是一般光管经过滚压工艺加工而成的一种新
型强化传热管，
是在螺旋槽管基础上开发出的另一种新型强化管。

沿轴线方向是一种波状表面，流体在管内的轴向流动带有波状流动特性。

旋流管内壁凸出物使流体流动边界层发生分离与再附。

另外螺旋波纹槽对近壁区流体流动的限制作用使管内产生附加的旋转运动，这种运动一方面降低了粘性层流底层的厚度，另一方面又产生了离心湍动作用，提高了传热系数。

在空气预热器中，旋流管因管内烟气侧换热的强化大大地高于管外空气侧换热的强化，因此在同等条件下壁温比光管要高30～45℃，因而可抑制低温腐蚀的发展。

图3“W ”形螺旋槽管结构示意
异形凹槽旋流管亦称“W ”形螺旋槽管，其螺旋凹槽断面为非圆弧形。

图3为用机械滚压方法轧制的内径为D
i 单头“W ”形螺旋槽管剖面图，其主要参数为螺旋
槽深度
e ，螺旋槽节距
p ，螺旋角
6
相对于光滑管，在相同条件下普通缩放管和改型缩放管具有较好的自然对流沸腾换热性能，其换热系数分别是光滑管的1.06倍和1.25倍。

改型缩放管的自然对流沸腾换热性能优于普通缩放管，其强化倍数约为1.18倍。

更适用于自然对流沸腾换热强化，有较好的工程应用前景。

2翅片管技术
2.1小螺旋角内外螺旋三角翅片管
小螺旋角内外螺旋三角翅片管是一种新型双侧强化传热管，简称IOSF管。

它以光滑管为毛坯，采用无切削机械加工一次成型方法制成。

管子的内外侧形成比较密集的三角翅片和相应的沟槽，外表面保持光滑，外表面的螺旋角较小且低于内表面的螺旋角，外表面翅片的密集程度则高于内表面翅片的密集程度。

图7IOSF管的外观及其结构剖视
IOSF管的外观及其剖视结构如图7所示。

高压加热器管外蒸汽的凝结过程中，IOSF管外小螺旋角的三角螺旋翅片能使冷凝液的表面张力在翅片肋峰和肋谷之间形成一定的压力梯度，把肋峰上的冷凝液引向肋谷，再由重力的作用沿翅片间的槽谷下落。

这样在翅片肋两侧上的冷凝液膜就会变得极薄，使这些表面的传热热阻明显地降低，从而显著提高管外的凝结换热系数。

IOSF管内小螺旋角的三角螺旋翅片起到类似螺旋槽管对单相流换热强化的作用，使得管内流体产生螺旋流，减薄了传热的边界层厚度，或者流体经翅片后产生边界层分离流（涡流）使传热边界层受到破坏。

两者的作用都是促使管内流体产生湍流流动，从而有效地强化了管内的对流换热。

2.2纵向翅片管
在换热器强化传热与可靠性增长研究过程中，一些场合不允许使用螺旋翅片管或者不必要采用螺旋翅片管，此时可以采用纵向内翅管（图8）。

图8纵向内翅管示意
对于一定的管束布置，翅片表面的流动主要有边界层流动和湍流流动，而影响肋管束换热能力的主要因素是管束结构参数、肋片结构参数和工质流动状况。

这三种因素对换热的影响是不同的，当肋片的高度<20mm时，结构参数所引起的扰动对换热起决定作用，管束的平均换热系数随着肋片高度而增大；当肋片高度>20mm时，情况则相反。

Re值较小时，管束中每一根管子流动状况与单独一根管子相类似，即呈边界层流动状态。

管束横向节距和纵向节距变化对换热均产生影响。

随着横向节距和纵向节距增加换热都是减弱的，但对于纵向节距来讲，当纵向节距增加到一定程度时，对换热的影响又逐渐减弱。

对纵肋管束来讲，流动阻力是流速、管束排列形式、翅片管几何参数以及扰流流体物性等参数的函数。

其中，肋片高度、管束节距对管束流动阻力有显著影响。

在纵向翅片管的表面渗入一层镍基金属后即成为镍基渗层纵向翅片管。

金相分析和能谱分析结果表明，通过对金属壁面进行改性处理，镍基渗层纵向翅片管不仅能提高其抗腐蚀性能，而且表面硬度显著增大。

表面的维式硬度（HV0.05）为421，而基管的维式硬度（HV0.05）为180。

从金相分析结果来看，渗层（白化合层）与基体无明显的界面，表层不易破坏，白化合层厚度达0.012～0.015mm，渗入普通碳钢管的合金元素以固熔体的状态存在。

这样，这一表层可以长时间保留下来，从而可以使得高可靠性的优点得以永久发挥。

这一点，是其它表面处理技术所不能及的。

3三维肋管技术
当强化传热管内或外连续的肋、槽沿槽向断开时，这些粗糙元就变成一个个独立的突起物或凹坑，流体在经过这些突起物或凹坑时，就形成三元流动，称这种强化传热管为三维肋管。

三维肋管包括三维外肋管、三维内肋管、三维内外肋管，其传热性能优于目前的螺纹管、翅片管、波形管等。

三维肋管传热机理如图9所示，在传热壁面上设置扰流装置，就可破坏其边界层，增加近壁区流体的湍流度，从而提高流体与壁面间的对流换热系数。

国外科研机构曾对空气流经管内粗糙肋进行过试验。

试验结果表明：空气流经这些肋时产生流动脱离区而形成强度不同、大小不等的旋涡。

图9（a）中，在两肋中间产生一个大旋涡和角区二个小旋涡，大旋涡是不稳定的三元结构，它周期地抛出流体并从主流中引入补充流体，这样构成了肋间流体与主流之间的质量和能量交换。

图9（b）中，肋前比肋后前的脱离区大得多。

正是这些旋涡有一大一小的两个旋涡，肋后的脱离区要比肋前的脱离区大得多。

正是这些旋涡改变了流体的流动结构，大大增强了传热效果。

但当肋间距太大时，流体将在两肋的脱离区之间重新形成层流底层及过渡层。

图9三维肋管传热机理
采用的三维肋结构，既可保证旋涡充分发展以发挥三维肋的扰动作用，又能适时地使流体获得后续的扰动，避免自重新接触点开始的层流底层的增厚，因此就能得到最大的增强换热效果。

4管内插入物
用插入物强化管内单相流体传热，尤其对强化气体、低雷诺数流体或高粘度流体更有效。

各种插入物强化机理不同，但都主要以改变流道达到强化传热为目的。

管内插入物很多，如螺旋线、扭带、错开扭带、螺旋片和静态混合器等。

其中，插入传热管内的扭带技术，由于其具有自动清洗污垢和强化传热的双重功能，且方法简便有效，不仅适合新投运设备的强化传热和抑制污垢沉积，而且易于对旧设备进行技术改造，因而应用广泛。

特别是自转螺旋塑料扭带技术，由于特殊塑料材料的研制和成型技术的成功，解决了金属螺旋扭带对传热管壁的磨损问题，市场前景更加广阔。

其工作原理如图10所示：在每根换热管的流体进口端安装一根塑料扭带，利用传热介质自身流过扭带所传递的动量矩使扭带旋转，不断地刮扫和撞击管内壁，从而达到清洗管内污垢、抑制污垢沉积和强化对流传热的目的。

图10自转塑料扭带的工作原理图
通过激光测速仪LDV对自转扭带管内流体湍流特性的实验研究，表明自转扭带管内对流传热强化的机理为：（1）自转扭带管内近管壁的环行区域内流体流速增大，将使边界层的厚度减薄，有利于扭带管内的对流传热过程强化。

但轴向速度及其湍流度增加不大，不是自转扭带传热强化的主要机理。

（2）自转扭带使管内流体随之一起旋转，虽然周向速度的绝对值小，但是产生的切向湍流度的绝对值却高达轴向湍流度的10倍，是使管内换热过程得以强化的主要原因。

这一结果将为管内自转扭带强化传热理论的深入研究奠定基础。

5螺旋扁管
螺旋扁管是利用模压机具将圆管压扁，然后扭曲而形成的一种换热管型，管子的截面为椭圆形，其管内流道因管子的扭曲而呈螺旋状（图11），因此称为螺旋扁管。

图11螺旋扁管结构示意
在制造过程中，可根据需要生产出不同压扁度和不同螺距的管型。

为了使换热器管子与管板的连接加工方便，椭圆管的两端仍保持为圆形。

螺旋扁管在壳体中的排列非常紧凑，相邻传热管外缘保持螺旋线点接触以减
小换热器的体积和增加流体在管子之间的流动空间。

这些接触点还起着支撑作用以减小或避免管子的振动。

流体在弯曲或扭曲的流道中会产生与主流方向垂直的二次流动，能够有效地增强层流状态下的换热过程。

基于此，等人提出了开发螺旋扁管换热器的构想，并对其传热和阻力性能进行了研究。

由于螺旋扁管换热器的管内管外均为弯曲的螺旋流道，流体在其间运动时，受到离心力的作用而周期性地改变流动速度和方向，从而增强了流体的径向混合，破坏了传热边界层，强化了传热。

同时，由于流体在壳侧总体上为顺流流动，因此其阻力较小。

此外，它消除了普通弓形板换热器中存在的流动死区，因此传热面积的利用率大大提高。

6结语
本文介绍了各种高效传热技术，并分析了其传热机理，对于今后进一步发展强化传热技术有着重要意义。

采用各种高效传热技术，将对设备的节能、降耗也有着现实意义。

参考文献：
[1]顾维藻，马重芳.强化传热[M].北京：科学技术出版社，1990.
[2]林宗虎.强化传热技术及其工业应用[M].北京：机械工业
出版社，1987.
[3]周明霞.国内外换热器技术进展[J].压力容器，1995，（1）：
19-23.
[4]W ATKINSON A P.Fouling of Augmented Heat Transfer Tubes
[J].Heat Transfer Engineering，1990，11（3）：57-65.
[5]崔海亭.旋流管及旋流管式换热器研究[D].北京：北京理
工大学车辆与交通工程学院，2000.
[6]李军.多种强化传热管的强化传热性能与流阻性能研究
[D].广州：华南理工大学，2000.
[7]梁平，龙新峰，庄礼贤，等.内外螺旋三角翅片管管外冷
凝传热的建模与优化（Ⅰ）——物理数学模型及数学处理方法[J].华南理工大学学报，1999，27（5）：78-83.
[8]高青，吴喜军，赵晓文，等.不同型面纵胁管束的综合能
量特性研究[J].化工机械，1997，（2）：125.
[9]俞天兰，鼓德其，俞秀民，等.电厂汽轮机冷凝器污垢自动
清洗及其强化传热[J].化工装备技术，2002，
23（
3
）
：30-32. [
10
]
，
.
[J].1980，（5）：117-125.。