管内螺旋弹簧式插入物强化传热研究进展

＊刘文勤 杨国蓉 郭丽＊

（银川能源学院石油化工系 宁夏 750105）

管内螺旋弹簧式插入物强化传热研究进展

＊刘文勤 杨国蓉 郭丽＊

（银川能源学院石油化工系 宁夏 750105）

利用管内插入物强化传热是目前最为常见的强化传热方式之一，管内插入物容易加工，拆装方便，可以显著提高已有换热器的换热性能，大大减少设备投资，节约资源，降低能耗。由于插入物形状的差异，不同插入物强化传热的效果也大不相同，因此，选择性能优良的管内插入物对于强化传热至关重要。本文主要介绍管内新型螺旋弹簧式插入物的结构、强化传热的原理以及强化传热在工业应用中的前景。

传热元件；螺旋弹簧；强化传热

1.引言

在化工、石油、制药、轻工、食品及能源等领域中传热操作随处可见，因此换热器的应用相当广泛，其用量占全部工业换热器的70%。为了节能降耗、绿色环保、提高工业生产经济效益，在换热过程中强化传热具有良好的发展前景。强化传热的途径有三种，分别是提高换热器的传热系数、增大换热器的换热面积、增大平均温度差，目前最有潜力的强化传热方法是通过提高传热系数来增大换热速率。大量的研究工作表明在换热器管内插入内插件可有效提高换热器的传热系数，管内插入物能有效增强湍流程度，使层流内层变薄，改善换热器的传热性能。管内螺旋线圈插入物对提高管内的传热系数是一种行之有效的手段，它不影响换热部件的结构强度，便于拆装、检修和更换，它具有较好的抗结垢性能，使得它在使用现场用来强化管内烟气侧的换热、降低排烟温度、解决积灰堵灰问题具有很强的生命力。

2.常见强化传热元件及性能比较

良好的传热效率对于现代工业生产来说是至关重要的，良好的传热效率一方面可以降低能耗，另一方面也能极大的减少成本，增加经济效益，但在实际生产中往往会事与愿违，在原料、环境、操作以及设备本身问题影响下，实际生产中的传热效率并不是很高，因此如何提高传热效率是现代工业急需解决的问题。通过长时间的研究，人们发现在管道内设置一个插入物通过形成旋转流从而破坏边界层，中心流体与管壁流体产生置换作用产生二次流，改变流体的湍动程度，破坏层流内层，会显著提高传热效率。由于管内插入物的材质和形状的不同其传热机理也各不相同，根据国内外研究情况，当下较为常见的管内插入物种类有：环式、拉希格图、盘式、螺旋线、螺旋片、纽带、错开纽带、静态混合器、交叉锯齿带、球体内插件和丝网内插件等。

纽带是由金属薄片螺旋加工而成，流体在纽带作用下既有旋转运动，又有轴向运动，两种运动叠加后形成了螺旋流动，在流量不变的情况下，轴向速度不变，但由于旋转运动的存在，使得两运动叠加后的速度相较于单一的轴向运动速度有了极大的提升，流速的增大使得剪应力随之增大，破坏了层流内层，增强了传热效果。另外，流体螺旋运动时在离心力的作用下形成了二次流，大量流体冲刷管壁使层流内层的厚度变薄，增强了传热效果。静态混合器通过改变流体的运动状态和方向，使得流体充分混合，流动速度更加均匀平稳，并且增加了流体对管壁的冲刷力度，降低层流内层的同时还可以避免管道结垢。

螺旋线圈是由金属丝绕制而成类似于弹簧的形状，弹簧线圈可以增加流体的湍动程度，使层流内层的厚度减小，起到强化传热的效果，另外弹簧线圈结构简单，制作方便，只对管壁附近的流体产生扰动而不影响管道中心流体的流动状况，在压降不是太高的情况下，强化传热的效果优于纽带，可以作为管内强化传热的插入物。就目前的研究结果来看螺旋线圈对流速较低的油、水等介质有明显的强化传热作用，对流速较低的气体介质也有较好的强化传热效果，研究表明，螺旋线圈强化传热是扰动与管壁接触的层流内层来实现的，因此合理的选用螺旋线圈的材料、直径既能破坏层流内层增加流体的扰动，又不至于使管内阻力过大，在这样的情况下螺旋线圈会起到明显的强化传热效果。

3.带支点的螺旋弹簧式插入物结构及原理

(1)带支点的螺旋弹簧式插入物结构

螺旋弹簧线圈插入管内可以起到破坏近管壁处流体层流底层的作用，因其阻力特性比其它种类的插入物平坦，故这是一种早期应用于强化过渡流及湍流传热的管内插入物。不少研究工作者对这种插入物的强化传热性能和阻力特性进行了研究，发现其主要取决于弹簧的3个几何参数：线径、圈径及螺距。普通的螺旋弹簧线圈是由传热良好的金属丝盘旋弯曲加工而成的类似于弹簧的连续线圈，直径小于所插入管道的直径，线圈直接和管内壁接触，接触面大而且多，流体流过管壁时阻力相对较大。本课题组成员在此基础上对螺旋弹簧式内插件做了相应的改进，即在螺旋弹簧线圈与管内壁之间保持一定的距离，并选择合适的间距设置支点，只有支点和管内壁连接，其他部分悬空，设置的支点一方面防止线圈与管道内壁直接接触从而减少接触面，降低了阻力，另一方面起到固定和支撑线圈的作用。流体在管道内流过时在支点周围会产生漩涡，漩涡的产生增大了流体的湍动程度，使得层流边界遭到破坏，对流传热系数得到显著提高，另外，漩涡的存在使得污垢不易沉积，在间接强化传热的同时，还可以节约设备维护和检修的费用，带支点的螺旋弹簧式内插件具体结构如图1。

图1 带支点的螺旋弹簧强化传热元件结构示意图

(2)带支点的螺旋弹簧式插入物设计原理

流体流经管道时，受螺旋弹簧线圈的影响，要产生绕轴向的旋转运动，同时流体还有轴向流动，在两个运动共同作用下使流体呈现螺旋流动。流体的这种螺旋流动对于强化传热会带来一定的益处：在相同的流量下，换热管内插螺旋线圈与无螺旋线圈时内部流体有着相同的轴向速度，但是受螺旋线圈的影响流体要绕轴向作旋转运动，旋转速度与轴向速度叠加使得有螺旋线圈时流体有着更大的流速，流体流速的增加伴随着剪应力的增大，这样可以破坏管壁附近的边界层，从而增强了传热效果。流体在螺旋流道内作螺旋运动，受离心作用的影响，流体会有径向速度分量，流体径向流动的结果是造成了流体的二次流，它直接冲刷管壁，促进主体流体和壁面边界层流体充分混合，减薄了边界层，提高了传热效果。

管内插入螺旋弹簧线圈时，线圈恰好与轴线成一定夹角，流体流动时，除了产生边界层分离外，还对强化传热作用不大但却使流体阻力增大的螺旋流，使得管内传热膜系数可达光管的1．5-2倍，管内流动沸腾传热膜系数的光管的2倍。螺旋弹簧线圈是自支撑结构，其管内相邻长轴处的点接触支承管子，管内流体受离心力的作用而周期性改变流体的流速和流动方向，加强了流体的混合。同时，管内流体经过相邻管子的螺旋线接触点后形成脱离管壁的尾流，增强了流体自身的湍流程度，破坏了流体在管壁上的传热边界层，从而达到强化了传热的目的，但同时也增大了阻力。与普通的螺旋弹簧式传热元件不同，带支点的螺旋弹簧式内插件与管壁的接触点少，接触面积小，在增加传热效率的同时，流体流动的阻力相对较小。

4.总结及展望

在传热过程中不同的强化传热技术有不同的应用场合，这些强化传热技术有的适用于特定的传热介质和传热过程，有的对所有对流换热状态都有不同程度的强化作用。就目前来看，在强化传热的各类措施中，通过管内插入物来提高传热系数应用最为广泛，其中粗糙表面和螺旋弹簧式内插件强化传热研究最多，发展也最快，被广泛地应用到各类换热设备中去。目前对管内螺旋线圈插入物的研究一方面主要集中在获得实验范围内的实验准则关联式，为工业应用提供设计依据。另一方面是考察不同因素对换热强化和抗积灰等的影响，进一步研究其机理，既为优化结构也为开发出更好的内插元件铺平道路。

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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"> 文献标识码：A

A

刘文勤（1993～)，男，银川能源学院石油化工系；研究方向：能源化学工程。

(责任编辑：李田田)

宁夏回族自治区大学生创新实验项目，编号NXCX2015377。

郭丽（1981～)，女，银川能源学院石油化工系；研究方向：化工单元操作的教学及研究。