螺旋槽管

螺旋槽管亦稱螺旋槽紋管，是一種優(yōu)良的雙面強化換熱管，對管內單相流體的換熱過程有著顯著的強化作用 。特別是現(xiàn)今節(jié)能與環(huán)保的問題日益突出，如何提高同軸換熱器的換熱效率，減少能量傳遞過程的不可逆損失，更合理和有效地利用能源，成為了一個非常重要的課題。螺旋槽管分為螺旋槽管直管及盤旋螺旋管。學者對其換熱機理比較一致的看法是：一方面由于螺旋槽的引導作用加強了徑向擾動；另一方面，發(fā)生了繞流脫體，形成回流區(qū)，在再附點處換熱最強，同時由于流體的旋轉和脫體使得摩擦阻力增大。當換熱加強時摩擦阻力系數(shù)也隨之升高，換熱性能的提升有利于減少熱傳遞過程的火用損因此有利于減少對高品位能的消耗，但是摩擦阻力系數(shù)提升的同時也增加泵功率，從而增大了能量損失。流體在管內的流動很復雜，評價其性能需綜合考慮流動阻力與換熱特性兩方面，在前人的基礎上考慮管內流動和傳熱兩方面推導了螺旋槽管的性能評價準則，得出了管的性能系數(shù)（PEC），并根據(jù)評價準則對比兩組螺旋槽管直管和盤旋螺旋管的性能，分析槽深和螺距對螺旋槽管性能的影響。

螺旋槽管 ，就是普通換熱管經(jīng)軋制或用其它加工方法在其內外表面形成螺旋槽道的一種高效換熱管形。流體在管內流動時受螺旋槽紋的引導，靠近壁面的部分流體順槽旋轉；另一部分流體順壁面沿軸向流動時，螺旋形的凸起也使流體產(chǎn)生周期性的擾動。前一種作用有利于減薄流體邊界層；后一種作用引起邊界層中流體質的擾動，因而可以加快壁面至流體主體的熱量傳遞。兩種作用綜合作用的結果，使管內換熱效果得到加強。管外的強化傳熱主要體現(xiàn)在冷凝過程，當殼程有冷凝相變時，螺旋槽成為排泄凝液的通道，可使凹槽兩邊的冷凝液膜減薄，從而減少熱阻，提高冷凝給熱系數(shù)。

⑴管內管外可同時強化傳熱。

⑵加工成本低

⑶適用面廣。對管內外介質的蒸發(fā)、冷凝、氣態(tài)流傳熱、液態(tài)流傳熱均有強化作用。

螺旋槽管分為單頭螺旋槽管及多頭螺旋槽管多頭螺旋槽管一般有四頭、六頭及八頭，圖 2 為四頭、六頭及八頭螺旋槽管的實物截面圖 。

圖 3 給出了單頭螺旋槽管的截面結構示意圖，螺旋槽管幾何特征包括：內徑 di、槽深 e 及螺距 p。

很多文獻認為 e/di、p/di 是影響螺旋槽管換熱性能的主要參數(shù)。通過對實驗數(shù)據(jù)的分析認為p/di=0.5～0.75，e/di≤0.054 的單頭螺旋槽管傳熱效果最好。對于六頭螺旋槽管而言，流體在流經(jīng)一個周期或螺距過程中要經(jīng)歷 6 道凸起，而在任意截面上也分布有 6 個凸起，所以本文采用 e/Ndi 和 p/Ndi 作為多頭螺旋槽管的特征參數(shù)，

編號 e/Ndi p/Ndi 槽深 e（mm） 螺距 p（mm） 內徑 di（mm） 計算長度mm）

1 0.03 0.2944 5 50 28.3 1050

2 0.03 0.4122 5 70 28.3 1050

3 0.03 0.59 5 100 28.3 1050

4 0.02 0.2944 3.4 50 28.3 1050

5 0.02 0.4122 3.4 70 28.3 1050

6 0.02 0.6184 3.4 105 28.3 1050

7 0.01 0.206 1.7 35 28.3 1050

8 0.01 0.4122 1.7 70 28.3 1050

9 0.01 0.6184 1.7 105 28.3 1050

10 0.03 0.2944 5 50 28.3 691

11 0.03 0.4122 5 70 28.3 691

12 0.03 0.59 5 100 28.3 691

13 0.02 0.2944 3.4 50 28.3 691

14 0.02 0.4122 3.4 70 28.3 691

15 0.02 0.6184 3.4 105 28.3 691

16 0.01 0.206 1.7 35 28.3 691

17 0.01 0.4122 1.7 70 28.3 691

18 0.01 0.6184 1.7 105 28.3 691

強化換熱最早的評價標準是 Nu/Nu0，此時研究的重點為表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)的提高 。而后又發(fā)現(xiàn)摩擦阻力系數(shù)會隨表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)的提升而快速增加，以其值是否大于 1 作為強化換熱效果好壞的評價標準，顯然這是不合適的。對于強化換熱熱管，在低雷諾數(shù)下可以獲得較高的換熱系數(shù)，仍具有較好強化換熱效果。故 Webb[9]基于前人的研究提出了一套 比 較 完 整 的 性 能 評 價 標 準 （ Performance Evaluation Criteria，PEC）。強化換熱的目的分為三種：增大熱負荷、降低功率消耗及減少換熱面積。Webb 的三個評價標準的敘述如下：相同換熱面積和泵功率下，強化元件與光管的換熱量之比 Q/Q0；相同換熱量和泵功率下，強化元件與光管的換熱面積之比 F/F0；相同換熱量和換熱面積下，強化元件與光管的泵功率之比。

螺旋槽管的生產(chǎn)方式目前主要有：

螺旋槽管軋制方法

即將用于生產(chǎn)焊管的帶鋼在其表面上用軋制的方法加工出斜溝槽，然后帶鋼經(jīng)過成型機生產(chǎn)出帶內螺紋的焊管 。這種方法在軋槽時由于受力的非對稱性使生產(chǎn)薄壁管的成型穩(wěn)定性較差，尤其是生產(chǎn)小直徑薄壁管時更為突出。

螺旋槽管拉拔方法

即采用無縫管或焊管做坯料，使用螺旋芯頭經(jīng)拉拔成型。這是目前我國生產(chǎn)螺旋槽管較普遍采用的成型方法。這種成型方法生產(chǎn)效率低(對于較大直徑管材只能是非連續(xù)生產(chǎn))，拉拔芯棒溝槽曲線形狀設計不合理或加工不理想，將使生產(chǎn)出的螺旋槽管的凸筋形狀畸變。

螺旋槽管滾壓方法

就是利用帶滾輪的滾壓工具，以一定的壓力在待加工管材表面作相對滾動，使金屬表面產(chǎn)生塑性變形，加工出圓弧形、錐形凹槽以及其它形狀的外表面。滾壓加工方法其中一種稱為新卡盤裝置，它是由圓形卡盤胎組成，在卡盤胎上均勻地布置三個或三個以上的盤爪，在每個盤爪用小軸固定一個滾輪，其尺寸由加工螺紋型線的要求而定。還有一種滾壓加工螺旋槽管的方法，就是采用三軋輥在專用機床上加工。

電站鍋爐空氣預熱器主要有2類:管式空氣預熱器和回轉式空氣預熱器,各有其優(yōu)缺點螺旋槽管是綜合性能最被看好的一種強化傳熱管件,與光管相比,管內換熱系數(shù)可提高1倍,甚至還可更大,用于替代煙氣在管內流動的光管作空

氣預熱器,不僅可提高其傳熱能力,還可提高管子的壁面溫度,減輕預熱器低溫段的低溫腐蝕和積灰堵灰[10,11].由于螺旋槽管空氣預熱器的優(yōu)越性,特別是在減少積灰堵灰方面獨樹一幟,自下關電廠第1臺螺旋槽管替代光管作空氣預熱器投運以來,至今國內已大量采用螺旋槽管空氣預熱器.螺旋槽管替代光管作空氣預熱器,可減輕末級空氣預熱器的積灰堵灰,提高傳熱能力,因而可降低排煙溫度及提高熱風溫度;可以替代回轉式空氣預熱器,解決其漏風和堵灰問題,此外還可根據(jù)不同的具體情況解決鍋爐的一些特殊問題 .

螺旋槽管傳熱特性和強化機理的研究為工業(yè)應用奠定了基礎.本文所提供的傳熱特性關聯(lián)式及相關資料可以作為螺旋槽管傳熱管件的設計依據(jù).

螺旋槽管作為電站鍋爐空氣預熱器的傳熱管件,大量應用于現(xiàn)役煤粉鍋爐空氣預熱器的更換改造和新鍋爐的整套設計,其性能明顯比其他型式空氣預熱器優(yōu)越.

對于任何一種新的強化傳熱技術,僅停留在理論上的研究是不夠的,還應對其應用領域進行深入的了解、調查和研究,并掌握有針對性地解決存在問題的方法,才能在實踐中得到推廣應用.

螺旋槽紋管主要用于強化管內氣體或液體的傳熱(也可以用于強化管內掖體的沸騰或管外蒸汽的冷凝)。近二十年來美、英、日、蘇聯(lián)等國的學者對此開展了很多研究工作(5,6)。美國通用油品公司采用名為K orodense的螺旋槽管做成發(fā)電廠蒸汽透平泛汽冷凝器，它與普通銅管冷凝器比較，傳熱面積節(jié)約30、總傳熱系數(shù)提高43%、總臺設備投資費用節(jié)約了近10萬美元。日本的吉富英明等對螺旋槽管進行了系統(tǒng)的實驗，對不同的螺旋槽尺寸與不同的操作條件提出了6個公式以計算努塞特數(shù)(Nu)與摩擦系數(shù)(f)。英國原子能研究協(xié)會Harwell 研究所對多頭螺旋槽管也作過系統(tǒng)的測試與篩選，由于槽紋較深，阻力增加太大，未能得出最優(yōu)的結構尺寸。

為了找出螺旋槽管最佳的結構參數(shù)與應用范圍，國內外近年來做了大量的實驗研究與理論分析工作，采用氫氣泡示蹤技術觀察螺旋槽管內流體運動狀況〔s〕發(fā)現(xiàn)流體在管內流動時受螺旋槽紋的引導使靠近壁面的部分流順槽旋流;還有一部分流體順壁面軸向流動，通過螺旋槽紋凸起處便產(chǎn)生軸向旋渦。前一種作用有利于減薄邊界層厚度，后一種作用可引起邊界層分離及邊界層中流體質點，從而可以加快由壁面至流體主體的熱量傳遞，通過對多頭、單頭螺旋等不同結構參數(shù)的螺旋槽管的對比觀察，發(fā)現(xiàn)多頭、日較小、e/d及H/d較大的管子是以前一種作用為主，而單頭、日較大、e/d及H/d較小的管子、則以后一種作用為主。在相同的雷諾數(shù)(Re)下，多頭螺旋比單頭所產(chǎn)生的旋流更強。邊界上的旋流有強化傳熱的作用，但流體主體中的旋流則增加了流體的磨損和能量消耗，應盡可能減少。另一方面在相同的槽距與槽深情況下，單頭的日角較大，即容易產(chǎn)生邊界層分離流而不易產(chǎn)生螺旋流。所以在相同的Re數(shù)、槽距、槽深的情況下，單頭螺旋與三頭螺旋槽管相比，強化傳熱的效果差別很小，但阻力卻降低較多，特別是槽紋較深時更明顯。

螺旋槽管的管內給熱系數(shù)可達光管的1. 5~ 2倍，管外大約為1. 5倍，但對流體的流動阻力比橫紋槽管稍大。管外水平冷凝給熱系數(shù)比光管大1~2倍，管內流動沸騰給熱系數(shù)為光管的2倍。