[科普中国]-螺旋槽管

简介

螺旋槽管亦称螺旋槽纹管，是一种优良的双面强化换热管，对管内单相流体的换热过程有着显著的强化作用2。特别是现今节能与环保的问题日益突出，如何提高同轴换热器的换热效率，减少能量传递过程的不可逆损失，更合理和有效地利用能源，成为了一个非常重要的课题。螺旋槽管分为螺旋槽管直管及盘旋螺旋管。学者对其换热机理比较一致的看法是：一方面由于螺旋槽的引导作用加强了径向扰动；另一方面，发生了绕流脱体，形成回流区，在再附点处换热最强，同时由于流体的旋转和脱体使得摩擦阻力增大。当换热加强时摩擦阻力系数也随之升高，换热性能的提升有利于减少热传递过程的火用损因此有利于减少对高品位能的消耗，但是摩擦阻力系数提升的同时也增加泵功率，从而增大了能量损失。流体在管内的流动很复杂，评价其性能需综合考虑流动阻力与换热特性两方面，在前人的基础上考虑管内流动和传热两方面推导了螺旋槽管的性能评价准则，得出了管的性能系数（PEC），并根据评价准则对比两组螺旋槽管直管和盘旋螺旋管的性能，分析槽深和螺距对螺旋槽管性能的影响。

螺旋槽管的工作原理螺旋槽管3，就是普通换热管经轧制或用其它加工方法在其内外表面形成螺旋槽道的一种高效换热管形。流体在管内流动时受螺旋槽纹的引导，靠近壁面的部分流体顺槽旋转；另一部分流体顺壁面沿轴向流动时，螺旋形的凸起也使流体产生周期性的扰动。前一种作用有利于减薄流体边界层；后一种作用引起边界层中流体质的扰动，因而可以加快壁面至流体主体的热量传递。两种作用综合作用的结果，使管内换热效果得到加强。管外的强化传热主要体现在冷凝过程，当壳程有冷凝相变时，螺旋槽成为排泄凝液的通道，可使凹槽两边的冷凝液膜减薄，从而减少热阻，提高冷凝给热系数。

螺旋槽管的特点⑴管内管外可同时强化传热。

⑵加工成本低

⑶适用面广。对管内外介质的蒸发、冷凝、气态流传热、液态流传热均有强化作用。

螺旋槽管结构参数螺旋槽管分为单头螺旋槽管及多头螺旋槽管多头螺旋槽管一般有四头、六头及八头，图 2 为四头、六头及八头螺旋槽管的实物截面图4 。

图 3 给出了单头螺旋槽管的截面结构示意图，螺旋槽管几何特征包括：内径 di、槽深 e 及螺距 p。

很多文献认为 e/di、p/di 是影响螺旋槽管换热性能的主要参数。通过对实验数据的分析认为p/di=0.5～0.75，e/di≤0.054 的单头螺旋槽管传热效果最好。对于六头螺旋槽管而言，流体在流经一个周期或螺距过程中要经历 6 道凸起，而在任意截面上也分布有 6 个凸起，所以本文采用 e/Ndi 和 p/Ndi 作为多头螺旋槽管的特征参数，

编号 e/Ndi p/Ndi 槽深 e（mm） 螺距 p（mm） 内径 di（mm） 计算长度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

螺旋槽管性能评价准则强化换热最早的评价标准是 Nu/Nu0，此时研究的重点为表面传热系数的提高5。而后又发现摩擦阻力系数会随表面传热系数的提升而快速增加，以其值是否大于 1 作为强化换热效果好坏的评价标准，显然这是不合适的。对于强化换热热管，在低雷诺数下可以获得较高的换热系数，仍具有较好强化换热效果。故 Webb[9]基于前人的研究提出了一套 比 较 完 整 的 性 能 评 价 标 准 （ Performance Evaluation Criteria，PEC）。强化换热的目的分为三种：增大热负荷、降低功率消耗及减少换热面积。Webb 的三个评价标准的叙述如下：相同换热面积和泵功率下，强化元件与光管的换热量之比 Q/Q0；相同换热量和泵功率下，强化元件与光管的换热面积之比 F/F0；相同换热量和换热面积下，强化元件与光管的泵功率之比。

螺旋槽管的生产方式
螺旋槽管的生产方式目前主要有：

轧制方法即将用于生产焊管的带钢在其表面上用轧制的方法加工出斜沟槽，然后带钢经过成型机生产出带内螺纹的焊管6。这种方法在轧槽时由于受力的非对称性使生产薄壁管的成型稳定性较差，尤其是生产小直径薄壁管时更为突出。

拉拔方法即采用无缝管或焊管做坯料，使用螺旋芯头经拉拔成型。这是目前我国生产螺旋槽管较普遍采用的成型方法。这种成型方法生产效率低(对于较大直径管材只能是非连续生产)，拉拔芯棒沟槽曲线形状设计不合理或加工不理想，将使生产出的螺旋槽管的凸筋形状畸变。

滚压方法就是利用带滚轮的滚压工具，以一定的压力在待加工管材表面作相对滚动，使金属表面产生塑性变形，加工出圆弧形、锥形凹槽以及其它形状的外表面。滚压加工方法其中一种称为新卡盘装置，它是由圆形卡盘胎组成，在卡盘胎上均匀地布置三个或三个以上的盘爪，在每个盘爪用小轴固定一个滚轮，其尺寸由加工螺纹型线的要求而定。还有一种滚压加工螺旋槽管的方法，就是采用三轧辊在专用机床上加工。

螺旋槽管空气预热器在煤粉锅炉中的应用
电站锅炉空气预热器主要有2类:管式空气预热器和回转式空气预热器,各有其优缺点螺旋槽管是综合性能最被看好的一种强化传热管件,与光管相比,管内换热系数可提高1倍,甚至还可更大,用于替代烟气在管内流动的光管作空
气预热器,不仅可提高其传热能力,还可提高管子的壁面温度,减轻预热器低温段的低温腐蚀和积灰堵灰[10,11].由于螺旋槽管空气预热器的优越性,特别是在减少积灰堵灰方面独树一帜,自下关电厂第1台螺旋槽管替代光管作空气预热器投运以来,至今国内已大量采用螺旋槽管空气预热器.螺旋槽管替代光管作空气预热器,可减轻末级空气预热器的积灰堵灰,提高传热能力,因而可降低排烟温度及提高热风温度;可以替代回转式空气预热器,解决其漏风和堵灰问题,此外还可根据不同的具体情况解决锅炉的一些特殊问题7.

螺旋槽管传热特性和强化机理的研究为工业应用奠定了基础.本文所提供的传热特性关联式及相关资料可以作为螺旋槽管传热管件的设计依据.

螺旋槽管作为电站锅炉空气预热器的传热管件,大量应用于现役煤粉锅炉空气预热器的更换改造和新锅炉的整套设计,其性能明显比其他型式空气预热器优越.

对于任何一种新的强化传热技术,仅停留在理论上的研究是不够的,还应对其应用领域进行深入的了解、调查和研究,并掌握有针对性地解决存在问题的方法,才能在实践中得到推广应用.