換熱器提高傳熱系數,主要從管程和殼程傳熱強化系數的提高方面上考慮。許多科研工作者已經在這一方面上進行了大量的研究,并且取得了很大的成效。本文主要討論了管殼式換熱器管程的強化傳熱——改變管子外形或在管內加入插入物,介紹了螺旋槽管、橫紋管、螺旋扁管、管內插入物、翅片管、縮放管和三維內肋管等多種強化傳熱管的研究進展。

    1、螺旋槽管螺旋槽管是一種管壁上具有外凸和內凸的異形管,管壁上的螺旋槽能在有相變和無相變的傳熱中明顯提高管內外的傳熱系數,起到雙邊強化的作用。根據在光管表面加工螺旋槽的類型螺旋槽管有單頭和多頭之分,其主要結構參數有槽深e、槽距p和槽旋角β。美國、英國、日本從1970年至1980年間對螺旋槽管進行了大量的研究。華南理工大學、北京理工大學和重慶大學也對螺旋槽管進行試驗研究,而且都取得顯著的成效。此外,研究還表明單頭螺旋槽管比多頭螺旋槽管的性能好。目前,無論是從傳熱、流阻、結垢性能,還是從無相變對流換熱和有相變凝結換熱,對螺旋槽管的強化傳熱研究從理論到實際已達到較高水平。進一步結合計算機軟硬件的發展,對螺旋槽管在不同場合傳熱的模擬和仿真,找出具有較大通用性的關聯式以及優化螺旋槽管的結構尺寸將是今后研究的方向。
    2、橫紋管1974年前蘇聯首先提出橫紋管,它是一種用普通圓管作毛胚,在管外壁經簡單滾軋出與軸線垂直的凹槽,同時在管內形成一圈突起的環肋。其強化機理為:當管內流體經橫向環肋時,管壁附近形成軸向漩渦,增加了邊界層的擾動,有利于熱量通過邊界層的傳遞。當渦流即將消失時,流體又流經下一個橫肋,不斷產生軸向渦流,因而保持連續且穩定的強化作用。橫紋管主要用來強化管內單相流體的傳熱,華南理工大學經研究發現,在相同流速下,橫紋管流阻比單頭螺旋槽管的小。
    3、螺旋扁管螺旋扁管是瑞士Allares公司首先提出、美國Brown公司經過改進的一種換熱管。由于管子的獨特結構,流體在管內處于螺旋流動,促使湍流程度。經實驗研究,表明螺旋扁管管內膜傳熱系數通常比普通圓管大幅度提高,在低雷諾數時最為明顯,達2～3倍;隨著雷諾數的增大,通常也可提高傳熱系數50%以上。
    4、管內插入物管內插入物的類型有很多,主要有:麻花鐵、螺旋線圈、螺旋帶、螺旋片、扭帶和靜態混合器等。各種插入物的強化傳熱機理一般可分為以下四種:
    (1)形成旋轉流;
    (2)破壞邊界層;
    (3)中心流體與管壁流體產生置換作用;
    (4)產生二次流。管內插入物的優點是對舊的換熱器設備進行改造,以提高其換熱性能。在強化傳熱的同時,能達到清除污垢的目的。英國CalGavin公司研制一種叫Heatex的插入物,它由一組延伸至管壁的圓態體組成,可使管側傳熱效率提高2～15倍[4]。該公司還開發了一種叫HitranMatrixElements的花環式插入物,能在不增大壓降的條件下大大提高傳熱系數。用于液體工況,可使管殼式換熱器管程傳熱效率提高25倍;用于氣體工況,可使相應值提高5倍。此外,與正常流速相比,這種插入物使換熱管的防垢能力提高8～10倍。