＊劉文勤 楊國蓉 郭麗＊

（銀川能源學院石油化工系 寧夏 750105）

管內螺旋彈簧式插入物強化傳熱研究進展

＊劉文勤 楊國蓉 郭麗＊

（銀川能源學院石油化工系 寧夏 750105）

利用管內插入物強化傳熱是目前最為常見的強化傳熱方式之一，管內插入物容易加工，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，不同插入物強化傳熱的效果也大不相同，因此，選擇性能優(yōu)良的管內插入物對于強化傳熱至關重要。本文主要介紹管內新型螺旋彈簧式插入物的結構、強化傳熱的原理以及強化傳熱在工業(yè)應用中的前景。

傳熱元件；螺旋彈簧；強化傳熱

1.引言

在化工、石油、制藥、輕工、食品及能源等領域中傳熱操作隨處可見，因此換熱器的應用相當廣泛，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)生產經濟效益，在換熱過程中強化傳熱具有良好的發(fā)展前景。強化傳熱的途徑有三種，分別是提高換熱器的傳熱系數、增大換熱器的換熱面積、增大平均溫度差，目前最有潛力的強化傳熱方法是通過提高傳熱系數來增大換熱速率。大量的研究工作表明在換熱器管內插入內插件可有效提高換熱器的傳熱系數，管內插入物能有效增強湍流程度，使層流內層變薄，改善換熱器的傳熱性能。管內螺旋線圈插入物對提高管內的傳熱系數是一種行之有效的手段，它不影響換熱部件的結構強度，便于拆裝、檢修和更換，它具有較好的抗結垢性能，使得它在使用現(xiàn)場用來強化管內煙氣側的換熱、降低排煙溫度、解決積灰堵灰問題具有很強的生命力。

2.常見強化傳熱元件及性能比較

良好的傳熱效率對于現(xiàn)代工業(yè)生產來說是至關重要的，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，增加經濟效益，但在實際生產中往往會事與愿違，在原料、環(huán)境、操作以及設備本身問題影響下，實際生產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)急需解決的問題。通過長時間的研究，人們發(fā)現(xiàn)在管道內設置一個插入物通過形成旋轉流從而破壞邊界層，中心流體與管壁流體產生置換作用產生二次流，改變流體的湍動程度，破壞層流內層，會顯著提高傳熱效率。由于管內插入物的材質和形狀的不同其傳熱機理也各不相同，根據國內外研究情況，當下較為常見的管內插入物種類有：環(huán)式、拉希格圖、盤式、螺旋線、螺旋片、紐帶、錯開紐帶、靜態(tài)混合器、交叉鋸齒帶、球體內插件和絲網內插件等。

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運動，又有軸向運動，兩種運動疊加后形成了螺旋流動，在流量不變的情況下，軸向速度不變，但由于旋轉運動的存在，使得兩運動疊加后的速度相較于單一的軸向運動速度有了極大的提升，流速的增大使得剪應力隨之增大，破壞了層流內層，增強了傳熱效果。另外，流體螺旋運動時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層的厚度變薄，增強了傳熱效果。靜態(tài)混合器通過改變流體的運動狀態(tài)和方向，使得流體充分混合，流動速度更加均勻平穩(wěn)，并且增加了流體對管壁的沖刷力度，降低層流內層的同時還可以避免管道結垢。

螺旋線圈是由金屬絲繞制而成類似于彈簧的形狀，彈簧線圈可以增加流體的湍動程度，使層流內層的厚度減小，起到強化傳熱的效果，另外彈簧線圈結構簡單，制作方便，只對管壁附近的流體產生擾動而不影響管道中心流體的流動狀況，在壓降不是太高的情況下，強化傳熱的效果優(yōu)于紐帶，可以作為管內強化傳熱的插入物。就目前的研究結果來看螺旋線圈對流速較低的油、水等介質有明顯的強化傳熱作用，對流速較低的氣體介質也有較好的強化傳熱效果，研究表明，螺旋線圈強化傳熱是擾動與管壁接觸的層流內層來實現(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層增加流體的擾動，又不至于使管內阻力過大，在這樣的情況下螺旋線圈會起到明顯的強化傳熱效果。

3.帶支點的螺旋彈簧式插入物結構及原理

(1)帶支點的螺旋彈簧式插入物結構

螺旋彈簧線圈插入管內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的插入物平坦，故這是一種早期應用于強化過渡流及湍流傳熱的管內插入物。不少研究工作者對這種插入物的強化傳熱性能和阻力特性進行了研究，發(fā)現(xiàn)其主要取決于彈簧的3個幾何參數：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旋彎曲加工而成的類似于彈簧的連續(xù)線圈，直徑小于所插入管道的直徑，線圈直接和管內壁接觸，接觸面大而且多，流體流過管壁時阻力相對較大。本課題組成員在此基礎上對螺旋彈簧式內插件做了相應的改進，即在螺旋彈簧線圈與管內壁之間保持一定的距離，并選擇合適的間距設置支點，只有支點和管內壁連接，其他部分懸空，設置的支點一方面防止線圈與管道內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。流體在管道內流過時在支點周圍會產生漩渦，漩渦的產生增大了流體的湍動程度，使得層流邊界遭到破壞，對流傳熱系數得到顯著提高，另外，漩渦的存在使得污垢不易沉積，在間接強化傳熱的同時，還可以節(jié)約設備維護和檢修的費用，帶支點的螺旋彈簧式內插件具體結構如圖1。

圖1 帶支點的螺旋彈簧強化傳熱元件結構示意圖

(2)帶支點的螺旋彈簧式插入物設計原理

流體流經管道時，受螺旋彈簧線圈的影響，要產生繞軸向的旋轉運動，同時流體還有軸向流動，在兩個運動共同作用下使流體呈現(xiàn)螺旋流動。流體的這種螺旋流動對于強化傳熱會帶來一定的益處：在相同的流量下，換熱管內插螺旋線圈與無螺旋線圈時內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運動，旋轉速度與軸向速度疊加使得有螺旋線圈時流體有著更大的流速，流體流速的增加伴隨著剪應力的增大，這樣可以破壞管壁附近的邊界層，從而增強了傳熱效果。流體在螺旋流道內作螺旋運動，受離心作用的影響，流體會有徑向速度分量，流體徑向流動的結果是造成了流體的二次流，它直接沖刷管壁，促進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。

管內插入螺旋彈簧線圈時，線圈恰好與軸線成一定夾角，流體流動時，除了產生邊界層分離外，還對強化傳熱作用不大但卻使流體阻力增大的螺旋流，使得管內傳熱膜系數可達光管的1．5-2倍，管內流動沸騰傳熱膜系數的光管的2倍。螺旋彈簧線圈是自支撐結構，其管內相鄰長軸處的點接觸支承管子，管內流體受離心力的作用而周期性改變流體的流速和流動方向，加強了流體的混合。同時，管內流體經過相鄰管子的螺旋線接觸點后形成脫離管壁的尾流，增強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，從而達到強化了傳熱的目的，但同時也增大了阻力。與普通的螺旋彈簧式傳熱元件不同，帶支點的螺旋彈簧式內插件與管壁的接觸點少，接觸面積小，在增加傳熱效率的同時，流體流動的阻力相對較小。

4.總結及展望

在傳熱過程中不同的強化傳熱技術有不同的應用場合，這些強化傳熱技術有的適用于特定的傳熱介質和傳熱過程，有的對所有對流換熱狀態(tài)都有不同程度的強化作用。就目前來看，在強化傳熱的各類措施中，通過管內插入物來提高傳熱系數應用最為廣泛，其中粗糙表面和螺旋彈簧式內插件強化傳熱研究最多，發(fā)展也最快，被廣泛地應用到各類換熱設備中去。目前對管內螺旋線圈插入物的研究一方面主要集中在獲得實驗范圍內的實驗準則關聯(lián)式，為工業(yè)應用提供設計依據。另一方面是考察不同因素對換熱強化和抗積灰等的影響，進一步研究其機理，既為優(yōu)化結構也為開發(fā)出更好的內插元件鋪平道路。

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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"> 文獻標識碼：A

A

劉文勤（1993～)，男，銀川能源學院石油化工系；研究方向：能源化學工程。

(責任編輯：李田田)

寧夏回族自治區(qū)大學生創(chuàng)新實驗項目，編號NXCX2015377。

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