螺旋槽管螺旋槽管的特點(diǎn)

⑴管內(nèi)管外可同時(shí)強(qiáng)化傳熱。

⑵加工成本低

⑶適用面廣。對(duì)管內(nèi)外介質(zhì)的蒸發(fā)、冷凝、氣態(tài)流傳熱、液態(tài)流傳熱均有強(qiáng)化作用。

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(nèi)外表面形成螺旋槽道的一種高效換熱管形。流體在管內(nèi)流動(dòng)時(shí)受螺旋槽紋的引導(dǎo)，靠近壁面的部分流體順槽旋轉(zhuǎn)；另一部分流體順壁面沿軸向流動(dòng)時(shí)，螺旋形的凸起也使流體產(chǎn)生周期性的擾動(dòng)。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(zhì)的擾動(dòng)，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(jié)果，使管內(nèi)換熱效果得到加強(qiáng)。管外的強(qiáng)化傳熱主要體現(xiàn)在冷凝過程，當(dāng)殼程有冷凝相變時(shí)，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)。

螺旋槽管亦稱螺旋槽紋管，是一種優(yōu)良的雙面強(qiáng)化換熱管，對(duì)管內(nèi)單相流體的換熱過程有著顯著的強(qiáng)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(gè)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(xué)者對(duì)其換熱機(jī)理比較一致的看法是：一方面由于螺旋槽的引導(dǎo)作用加強(qiáng)了徑向擾動(dòng)；另一方面，發(fā)生了繞流脫體，形成回流區(qū)，在再附點(diǎn)處換熱最強(qiáng)，同時(shí)由于流體的旋轉(zhuǎn)和脫體使得摩擦阻力增大。當(dāng)換熱加強(qiáng)時(shí)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(duì)高品位能的消耗，但是摩擦阻力系數(shù)提升的同時(shí)也增加泵功率，從而增大了能量損失。流體在管內(nèi)的流動(dòng)很復(fù)雜，評(píng)價(jià)其性能需綜合考慮流動(dòng)阻力與換熱特性兩方面，在前人的基礎(chǔ)上考慮管內(nèi)流動(dòng)和傳熱兩方面推導(dǎo)了螺旋槽管的性能評(píng)價(jià)準(zhǔn)則，得出了管的性能系數(shù)（PEC），并根據(jù)評(píng)價(jià)準(zhǔn)則對(duì)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(duì)螺旋槽管性能的影響。

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(shí)物截面圖 。

圖 3 給出了單頭螺旋槽管的截面結(jié)構(gòu)示意圖，螺旋槽管幾何特征包括：內(nèi)徑 di、槽深 e 及螺距 p。

很多文獻(xiàn)認(rèn)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(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析認(rèn)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(duì)于六頭螺旋槽管而言，流體在流經(jīng)一個(gè)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(gè)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(hào) e/Ndi p/Ndi 槽深 e（mm） 螺距 p（mm） 內(nèi)徑 di（mm） 計(jì)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(qiáng)化換熱最早的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)是 Nu/Nu0，此時(shí)研究的重點(diǎn)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(huì)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(qiáng)化換熱效果好壞的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，顯然這是不合適的。對(duì)于強(qiáng)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(qiáng)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(píng) 價(jià) 標(biāo) 準(zhǔn) （ Performance Evaluation Criteria，PEC）。強(qiáng)化換熱的目的分為三種：增大熱負(fù)荷、降低功率消耗及減少換熱面積。Webb 的三個(gè)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)的敘述如下：相同換熱面積和泵功率下，強(qiáng)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(qiáng)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(qiáng)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(jī)生產(chǎn)出帶內(nèi)螺紋的焊管 。這種方法在軋槽時(shí)由于受力的非對(duì)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(shí)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(duì)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(shè)計(jì)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(duì)滾動(dòng)，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(gè)或三個(gè)以上的盤爪，在每個(gè)盤爪用小軸固定一個(gè)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(jī)床上加工。

電站鍋爐空氣預(yù)熱器主要有2類:管式空氣預(yù)熱器和回轉(zhuǎn)式空氣預(yù)熱器,各有其優(yōu)缺點(diǎn)螺旋槽管是綜合性能最被看好的一種強(qiáng)化傳熱管件,與光管相比,管內(nèi)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(nèi)流動(dòng)的光管作空

氣預(yù)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(yù)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(yù)熱器的優(yōu)越性,特別是在減少積灰堵灰方面獨(dú)樹一幟,自下關(guān)電廠第1臺(tái)螺旋槽管替代光管作空氣預(yù)熱器投運(yùn)以來,至今國內(nèi)已大量采用螺旋槽管空氣預(yù)熱器.螺旋槽管替代光管作空氣預(yù)熱器,可減輕末級(jí)空氣預(yù)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(fēng)溫度;可以替代回轉(zhuǎn)式空氣預(yù)熱器,解決其漏風(fēng)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(qiáng)化機(jī)理的研究為工業(yè)應(yīng)用奠定了基礎(chǔ).本文所提供的傳熱特性關(guān)聯(lián)式及相關(guān)資料可以作為螺旋槽管傳熱管件的設(shè)計(jì)依據(jù).

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

對(duì)于任何一種新的強(qiáng)化傳熱技術(shù),僅停留在理論上的研究是不夠的,還應(yīng)對(duì)其應(yīng)用領(lǐng)域進(jìn)行深入的了解、調(diào)查和研究,并掌握有針對(duì)性地解決存在問題的方法,才能在實(shí)踐中得到推廣應(yīng)用.

螺旋槽紋管主要用于強(qiáng)化管內(nèi)氣體或液體的傳熱(也可以用于強(qiáng)化管內(nèi)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(xué)者對(duì)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(tái)設(shè)備投資費(fèi)用節(jié)約了近10萬美元。日本的吉富英明等對(duì)螺旋槽管進(jìn)行了系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)，對(duì)不同的螺旋槽尺寸與不同的操作條件提出了6個(gè)公式以計(jì)算努塞特?cái)?shù)(Nu)與摩擦系數(shù)(f)。英國原子能研究協(xié)會(huì)Harwell 研究所對(duì)多頭螺旋槽管也作過系統(tǒng)的測(cè)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(jié)構(gòu)尺寸。

為了找出螺旋槽管最佳的結(jié)構(gòu)參數(shù)與應(yīng)用范圍，國內(nèi)外近年來做了大量的實(shí)驗(yàn)研究與理論分析工作，采用氫氣泡示蹤技術(shù)觀察螺旋槽管內(nèi)流體運(yùn)動(dòng)狀況〔s〕發(fā)現(xiàn)流體在管內(nèi)流動(dòng)時(shí)受螺旋槽紋的引導(dǎo)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(dòng)，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(zhì)點(diǎn)，從而可以加快由壁面至流體主體的熱量傳遞，通過對(duì)多頭、單頭螺旋等不同結(jié)構(gòu)參數(shù)的螺旋槽管的對(duì)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(qiáng)。邊界上的旋流有強(qiáng)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(yīng)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(qiáng)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(shí)更明顯。

螺旋槽管的管內(nèi)給熱系數(shù)可達(dá)光管的1. 5~ 2倍，管外大約為1. 5倍，但對(duì)流體的流動(dòng)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(nèi)流動(dòng)沸騰給熱系數(shù)為光管的2倍。