[科普中国]-三维内翅管

发明背景

为使换热设备更加轻小高效，各国学者着力研究了强化传热技术，近年研制出的不少高效传热表面已经在空冷海水淡化化工宇航船舶动力工程等方面得到应用。

强化管内对流换热的主要手段是促进管内湍流和扩展管内面积。研究表明，兼有上述两种机理为一体的三维内翅管，在增强换热以及减少泵功方面的性能均优于只运用一种强化换热机理为主的强化换热管件，如直肋管，二维肋粗糙管等。1

管材料及内部结构在二维内肋管和沙粒型粗糙管的基础上，研制出了三维内翅管。它是由专门机床，对铜、铝、钢等金属管材冷加工而成。其结构是在传热管的内壁，由专用机床及压出许多独立的齿状肋片，肋片与管壁垂直，流体经过侧是创花状的弧面，背侧是平面，翅片在管子横截面上环状均匀分布，环间错排，造成内管壁在三维方向上的几何尺寸都有变化，故称三维内翅管。2

三维内翅管强化传热机理其强化传热的机理是，流体流动过程中，由于三维肋管的存在，而引起肋间加速，其加速的方向平行于热边界层，并直接使热边界层减薄，避免二维肋的加速度有较大比例的垂直分量，减少了泵功的消耗，其次，流体绕三维肋的流动，在肋后形成卡门涡街，并把热流体拉到管壁促进换热，而流体翻越二维肋后不能形成涡街，若肋片过高，还可能在内肋形成回流死区而不利于换热。

同时三维内还扩展了管内换热面积约40%，虽然各种高效传热表面都有扩大传热的面积来增强换热，但是随着Re的增加，其换热强化比减小，而三维内肋管，由于肋片作用，增强了流体的近壁扰动，相对于说缓慢了衰减，改变肋片高度，能较大幅度的控制换热。2

肋片排列方式三维内肋管有肋顺排、肋叉排和肋螺旋排3种排列方式。3

适用流体和条件由于能够有效的促进湍流的发生并扩展管内换热面积，与连续肋相比，离散的三维肋，更具有易于导致流体产生回流，横向二次流以及涡旋等，对于强化水，空气，乙二醇与水的混合物等工质的对流换热显著效果。4同时还发现三维内肋管还适合高粘度流体在层流区的对流换热。5