管壳式换热器（一）：管程传热强化

针对管壳式换热器管程的强化传热主要采用强化传热管或加入管内插入物。其中强化传热管主要包括波纹管、横纹管、螺旋扁管、缩放管以及内翅片管等，如图1 所示。

图一：强化传热管

流体在强化传热管中流动时，由于管壁表面的不断变化，对流体造成扰动，层流边界层遭到破坏，从而强化传热。波纹管是由薄壁光滑管加工而成，传热系数为光滑管的2～4 倍。 横纹管是在金属管材上变截面连续滚轧成型，有效面积无太大扩展，靠突出肋对流体产生 扰动。 螺旋扁管是将光滑圆管压扁，并按一定导程扭曲而形成的管型。管内螺旋状流道使流体产生旋转，增加流体扰动程度，促进流体混合，极大提高换热效率。缩放管通过管段收缩变化使流体产生回转旋涡从而提高传热系数，但其加工工艺相对复杂。内翅片管的传热面积有较大增加，且流体微团在壁面产生回转旋涡，从而提高传热系数。

强化传热管相对光滑管传热性能可以大幅提高，但其加工较为复杂且不易清洗，适用于不易结垢的流体强化传热。 管内插入物具有加工简单、不改变传热管形状等优点，适用于现有换热器的改造。管内插入物可以扰动管内流体，形成旋流和二次流，增强湍流强度，破坏层流边界层，从而加快流体与传热管的换热，同时摩擦系数较小，能够有效清除污垢，被广泛应用于换热器中。常见的管内插入物主要为金属纽带（图2）及螺旋片（图3）等。

图二：金属纽带

图三：螺旋片

纽带是一种结构简单的旋流发生器，由薄金属片扭转而成，与光滑管相比，传热系数可以提高2倍以上。针对金属纽带的研究集中于纽带传热强化的性能及纽带几何结构的优化。NAPHO对换热管内有无金属纽带插入物进行了实验研究对比，发现管内添加金属纽带能够明显提高传热速率，同时摩擦因子也会增加，并针对努塞尔数与摩擦因子提出了关系式。KUMAR 等改变纽带扭曲率，并研究不同几何结构的纽带传热管对太阳能热水器传热的影响。

当扭曲率从3.0 改变至12.0 时，太阳能热水器的传热系数相对光滑管增加18%～70%，同时压力增加87%～132%，综合考虑传热性能与压降，插入纽带管的集热器适宜应用于较高品味的能量中以平衡压降损失。SARADA 等对水流经不同宽度的纽带换热管中进行了实验研究，结果表明当纽带宽度从10mm增加至22mm，传热系数增加36%～48%。EIAMSA-ARD 等研究不同错开长度纽带的传热性能，结果表明错开纽带由于错开角引起的流体扰动，相对于平滑纽带具有更高的努塞尔数、摩擦因子及热性能系数。当错开长度与光滑纽带比值为0.5、1.0、1.5 和2.0 时，努塞尔数相对光滑纽带管提高了52%、47%、43%和37%，比值为0.5 的错开纽带管表现出最佳的传热性能。螺旋片也是一种常见管内插入物，如图3 所示，螺旋片是由一定直径的铜丝或钢丝按照一定的节距绕成。对于雷诺数较大的湍流区，增加主流的扰动对传热影响并不大，而管壁附近的层流导热对过程起控制作用，螺旋线正好处于壁面附近，在近管壁区域引起湍流扰动，从而有效提高传热系数。

AKHAVAN-BEHABADI 等进行了机械润滑油流经不同螺旋线换热器内管的实验，对不同螺距、螺旋角度以及螺旋线厚度进行对比，结果表明当螺旋线厚度为2mm 时，管程努塞尔数相对平管增加2.2倍，当厚度为3.5mm 时可达到3.2 倍。MARTINE等对牛顿流体及非牛顿流体在层流及过度流状态下流经不同结构螺旋线内管的传热性能进行研究，其中牛顿流体选用丙二醇，非牛顿流体选用质量分0.1%的羧甲基纤维素（CMC）水溶液。结果表明在低雷诺数下，螺旋线强化传热效果不显著，当雷诺数高于500 时，则开始表现出强化换热效果。当雷诺数为700 左右时，丙二醇努塞尔数为光滑管的4 倍，CMC 水溶液努塞尔数为光滑管的3倍。

GUNES 等针对管内螺旋线提出田口优化，综合考虑系统整体的导热及压降性能，当螺旋线与管径的比值为0.0375、螺距与管径比为1.0、侧边长度与管径比为0.0714、雷诺数为19800 时，每单位压降下的传热系数最高，表现出最佳的综合性能。管内插入物在强化传热的同时也存在一定的缺点，包括金属耗材较多、增加换热器整体质量以及在处理不洁净流体时容易造成管道堵塞等，适用于雷诺数较小且流体不易结垢的工况。