螺旋槽纹管在强化传热技术中的应用与发展状况

摘 要：本文首先对强化传热简单叙述，介绍了国内外研究现状与发展动态，并对螺旋槽纹管强化换热机理进行分析。螺旋槽纹管强化换热分为无相变强化换热和有相变强化换热，重点介绍了两种强化换热机理，针对本文研究的无相变强化换热，分析了对流换热的边界层热阻，提出了降低边界层热阻、减薄边界层厚度是螺旋槽管强化换热的主要机理。

关键词：螺旋槽纹管；国内外研究现状；传热机理

1 螺旋槽纹管介绍

螺旋槽管，也被称作螺旋槽纹管，其结构示意图如图3所示，主要包括管径、槽深、螺距、槽宽等。螺旋槽管是一种高效换热异形管，它是管壳式换热器中最常用的一种传热元件。螺旋槽管之所以能广泛应用于众多强化设备中，主要是由于其管壁上分布的一圈圈螺旋型的凹槽和凸起，这些凹槽和凸起能在对流换热中显著提高换热系数，起到强化换热作用。

螺旋槽管的第一次试验成功是B&W公司（美国）于1956年完成的[1]，螺旋槽纹管的产生和发展是基于研究电站的锅炉里管子烧坏现象。自从产生了这种螺旋槽纹管，研究就没有停止过，不仅是国外做了很多关于此管的研究，国内也同样对该管的流动以及换热性能进行了深入的研究。螺旋槽纹管用于强化管内的液体或者是气体的传热，强化管外蒸汽的冷凝以及管内液体的沸腾同样有着显著作用。

螺旋槽管是在光滑圆管外表面采用轧制方法加工出螺旋形沟槽，其主要结构参数有内径D，螺距P，槽深e，壁厚b，槽宽h、螺旋角β 和头数N等。与其他的异型管相比，螺旋槽纹管的优点是制作的工艺较简单，加工时较方便，相比阻力增加幅度，其优点为传热能力会有较大的提高。

2 螺旋槽管的研究现状

螺旋槽纹管作为一种高效换热异形管，对其研究一直不断，在国民经济中占有重要地位。近年来，国内外学者将螺旋槽管强化换热研究工作放在有相变冷凝换热和无相变对流换热两个方面。主要研究方法有2类：

国内学者针对螺旋槽管换热及管内流动也进行了大量的研究，并取得了一定的成果。华南理工大学邓先和、邓颂九等人[3]针对工质在粗糙管内换热及流动特性进行了实验研究，得到粗糙管内换热及流动性能是光管的1.9倍。东南大学针对螺旋槽管的管内流动、强化换热等也进行了广泛研究[4]，为了获得管内实际的流动状态，他们采用氢气泡示踪法对其进行可视化研究，掌握了螺旋槽管内流动相关规律。

（2） 数值研究。除了实验研究以外，针对螺旋槽纹管的研究还有数值模拟研究，相对于实验研究，数值模拟研究性价比更高，例如在产品开发初期，可以采用数值模拟方法研究新结构管型的综合换热性能，在数值模拟研究通过的情况下，再利用实验研究确定其最终综合性能，达到缩减产品开发周期目的。

3 螺旋槽管的发展趋势

伴随着螺旋槽纹管的诞生与发展，人们对其已进行了各种形式的研究，并取得了一定的成果。但由于每个人采取的研究方法不相同，得到的传热与流动关联式适用情况也不一致。绝大多数学者对螺纹管流动与换热的研究，选择的工质是以水和空气为主的，而采取其他物性的换热介质研究较少。因此，以往的研究还是存在部分局限性。

虽然对于螺旋槽纹管的研究，现在普遍采用数值模拟方法进行，但是由于管内流体流动的复杂性，数值模拟研究采用的湍流模型并不能准确反映实际情况下管内流动状况，因此为了使数值模拟研究得到的结果更接近实际值，我们有必有对数值模拟研究的湍流模型进行完善。

随着研究方法的不断进步，今后对螺旋槽管的研究主要朝以下几个方面发展：

（1）理论研究。研究新理论、新方法，进一步剖析螺纹管的强化传热机理，完善现有对螺纹管流动与传热研究的数学模型。掌握螺纹管在不同的工况下传热与流阻的定量关系，将实验得到的数据整理成通用性较大的关联式。优化螺旋槽管结构参数：槽深e、螺距p、螺旋升角β、头数N等，使螺旋槽管传热更好及流动阻力更低，这是我们所想要的 ，也是我们今后研究的主要内容。

（2）利用计算机进行模拟和可视化研究。考虑到换热管内流动和热量交换的复杂性，理论研究有其局限性，为了更清楚的掌握螺旋槽管在换热过程中管内流动状况，我们可以借助现代的研究方法，例如：激光测速、红外摄像等可视化技术以及数值模拟软件，例如：Fluent、CFX等，借助这些方法来更好的研究螺旋槽管换热过程中的流场和温度场分布情况，便于我们进一步的了解螺旋槽管的强化传热机理。

（3）开发新模型和新方法。由于螺旋槽管管内流动以及换热过程十分复杂，虽然利用计算机进行数值模拟研究成本低、周期短，但是受计算机和湍流模型的限制，模拟结果与实际结果有一定的差距，因此，今后的研究可以从优化湍流模型和开发新的计算方法两方面着手，例如：数值模拟研究采用的紊流模型有Klε模型、Laminar、Inviscid，结合我们的研究对象，优化数值模拟的湍流模型是提高计算精度行之有效的方法。针对螺旋槽管的强化传热研究开发一些新方法，也是今后研究的方向，可以在现有的研究方法上，开发一些新方法使我们的研究更先进。

随着社会的发展，螺旋槽管的工业应用必将越来越广泛，伴随着螺旋槽管的性能研究也将逐步深入下去。