强化传热及其新技术及其应用 第二章.docx
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强化传热及其新技术及其应用第二章
第2章
螺旋槽纹管研究与应用
螺旋槽纹管．亦称螺旋槽管，是一种优良的高效异形强化传热
管件，对流体的换热过程有着显著的强化作用，其结构简图见图
2-1．管壁上的螺旋槽能在有相变和
无相变的传热中显著地提高管内外的
给热系数，起到双边强化的作用．用
滚轧冷加工的方法，可在光管壁上加
工出各种不同的螺旋槽．与其他异形
管相比，具有制造工艺较简单，加工
方便等优点．
螺旋槽纹管为美国拔柏葛公司于1956年首次试验成功【1】，这
种管子是在研究电站锅炉管子烧坏现象的基础上产生和发展起来
的．研究者发现锅炉管于烧坏是在其内壁上已形成连续的汽膜而中
心仍有汽水混合物流动的情况下产生的．这种低速汽膜导热性能很
差，热阻极大，不能保证管子有足够的冷却．从而使壁温急剧升
高，导致管子烧坏，采用螺旋槽纹管能够推迟传热恶化区的产生和
降低管壁温度．这是因为螺旋槽纹管的管壁槽道能造成汽水混合物
的强烈旋转和扰动，破坏汽膜的形成，增大其传热系数，同时能降
低管壁的温度．
螺旋槽纹管自问世以来，国内外很多学者对其传热与流动性能
进行了许多深入的研究【2~5】，螺旋槽纹管用于强化管内气体或液
体的传热，强化管内液体的沸腾或管外蒸汽的冷凝．其强化机理
为，流体在管内流动时受螺旋槽纹的引导使靠近壁面的部分流体顺
槽旋流，有利于减薄边界层厚度；还有一部分流体顺壁面轴向流动，通过螺旋槽纹凸起处便产生轴向漩涡，引起边界层分层及边界
层中流体的扰动，从而加快由壁面至流体主体的热量传递．螺旋槽
纹管是将光滑管在车床上轧制而成．主要结构参数有槽深e、节距
p和螺旋角β。
可分为单头和多头．螺旋槽纹管的应用以液—液型为
主；其次是液—气（冷凝或蒸发沸腾）。
这种管不仅可强化传热且其
抗污垢性能又高于光滑管，因而广泛用于动力、海水淡化、船舶、
炼油、石油化工等换热没备上．
2．1蝇旋槽纹管强化传热研究
2．1.1螺旋槽纹管管内对流换热及阻力特性研究
（1）国外的研究现状
自1966年美国橡树岭国立实验室的Lawson发表了第一篇有
关螺旋槽纹管的研究报告以来，引起了世界各国的高度重视和广泛
研究．国外学者对螺旋槽纹管的实验研究见表2—1．
此外，Srinivasan【15】等人分别对螺旋波纹管和螺旋肋片管的结
垢问题进行了研究，结果表明，结垢状态下的螺旋型表面强化管传
热性能仍优于同状态下的光管式传热管．
针对螺旋槽纹管的结构参数对传热与流动特性的影响，Mof—
fat【16】和Zimparov【17】分别对卧式冷凝器中的螺旋槽纹管进行了研
究，Moffat对11种不同槽距和槽深的螺旋槽纹管进行了实验，总
结出了管的几何尺寸对传热与摩擦的影响．同时．建立于总传热系
数、冷凝侧的传热系数的相关准则方程．Zimparov测定了11种不
同结构参数的传热性能和压降损失．得到了螺旋槽纹管内外侧的传
热系数和总传热系数。
通过同光管的实验数据进行比较，结果表
明．螺旋槽纹管的总传热系数是光管的2倍，但压降损失却达到了
10倍．这也表明，由于螺旋槽纹臂的流态复杂，结构参数对实验
结果有很大的影响．
美国Argonne国家实验室和GA技术公司设计、制造的螺旋
槽纹管换热器，其传热性能比光管提高2~4倍．Acearya【18】研究
作者
实验类型
管型
实验情况
结论
吉富英明等【6】
单管管内单相流传热和阻力实验
单头螺旋槽纹管d=10.85~56.5mmp=5.2~50e=0.3~4.5mm
水-水压降实验2300≤Re≤200000换热实验
100≤Re≤200000
最佳p在Re＞2000，p≈0.4d最佳e在2000≤Re≤8000是，0.04d≤e≤0.6d0.8Re-0.168000≤Re≤30000时，e≈0.04d；Re＞30000时，e≤0.04d
WithersJG[7]
单管管内单相流传热和阻力实验
14根单头的螺旋槽纹管。
材质包括铜（1根）和铜镍合金（13根）
0.0159≤e*≤0.0522
0.29≤p*≤0.911
水-水2≤Pr≤1110000≤Re≤120000管内侧水处于紊流活过渡流区
管内传热系数为同类型光管的2.5到3倍，最佳槽深为e*=0.04
WithersJG[8]
单管管内单相流传热和阻力实验
25根多头螺旋槽纹管45°≤α≤51°0.0217≤e*≤0.04190.163≤p*≤0.829n=5，6，8，10，12
水-水4≤Pr≤1010000≤Re≤120000管内侧水处于紊流或过渡流区
从Rs=F/Fs的评价指标可知，对于0.015≤e≤0.024Rs=0.3~！
0.5
GarimellaS[9]
单管管外单相流传热和阻力实验
由9根多头螺旋槽纹管和4根光管的23组管外实验组n=3，4，5
螺旋槽纹管外侧走水层流区，过渡区和紊流区
与光管相比，螺旋槽纹管管外的阻力系数在层流区增加为1.1~2倍，紊流区则高达10倍；300＜Re＜1000，此时就将出现过渡区
GarimellaS[10,11]
单管管外单相流传热实验
由14根多头螺旋槽纹管和4根光管的38组管外实验组n=1~50.104≤e*≤0.3840.383≤p*≤6.7140.279≤α≤0.6520.265≤r*≤0.604
螺旋槽纹管内走热水，管外走冷水层流区，过渡区和紊流区
与光管相比，螺旋槽纹管管外的Nu在层流区增加为4~20倍，紊流区则只为1.1~4倍。
当Re=700时，就已出现紊流，；Nu随槽深增加，节距和环形半径比的减少而增加
PanchalCB[12]
换热器两相流传热和阻力实验
84根铝制的相同尺寸螺旋槽纹管垂直安装再换热器中，进行换热器实验α=30°e=1.54mm
沸腾实验：
管内为R-11，壳程为蒸汽冷凝实验：
管内为水，可称为氨和R-114
二次流对强化传热的影响很重要；平均传热系数和摩擦因子分别为同类型光管换热器的1.63和1.25倍
Ewing[13]
单管管内两相流阻力实验
9根螺旋槽纹管n=3,4,6
0.1≤e*≤0.35
0.52≤p*≤1.610.37≤α≤0.63
空气与水组成的两相流，阻力实验管外绝热
66≤Ref≤48393557≤Res≤159573
管内平均压降为同类型光管的1.4~3.9倍
SethumadhavanR[14]
单管管内单相流传热和阻力实验
5根铜制的螺旋槽纹管α=65°n=1~30.0118≤e*≤0.03030.297≤p*≤1.182
管内工质为50%的甘油和水，管外为蒸汽加热紊流区
管内阻力系数为同类型光管的0.3~2倍。
传热系数为0.15~1倍。
P越小，n大，则f越大
了螺旋槽纹管（spirallycorrugatedtube>中牛顿流体与非牛顿流
体的传热与摩擦特点，以及管结构对性能的影响，同时与光管进行
了比较．作者采用的介质为水中加入40％的甘油和4％的模拟塑
料，测定了该种流体在光滑钢管及12种螺旋槽纹管中定常流动时
处于过渡状态和湍流状态的传热能力和压降．该文所使用的螺旋槽
纹管的结构参数为槽深0.5～1．42mm，槽距5~30mm，给出了适
合该种流体的量佳结构参数和管壁粗糙度的范围（0．00067～
0.0020），并在此基础上归纳了阻力系数、努塞尔数与雷诺数、普
朗特数及管壁粗糙度的关系．
日本学者吉富英明【6】对单头螺旋管进行了大量的试验研究，
在等热流的情况下，以水为管内介质进行实验，得到了一些关联
式．前苏联学者也对螺旋槽纹管进行了大量的研究．不少研究
者认为，螺旋槽纹管的换热工况不仅取决于其几何参数，而且
与流动工况有关，对于空气和水两种介质，其换热规律可能
不同。
国外有关螺旋槽纹管的研究文献还很多【19~22】，在此就不一一
介绍了．
（2）国内的研究现状
我国对螺旋槽纹管换热器的研究，起步于20世纪70年代
末，华南理工大学，重庆大学、东南大学、哈尔滨工程大学、
北京理工大学，西安交通大学等院校和研究单位在螺旋槽纹管
的研究方面做了大量的工作，取得了不少有实用价值的研究
成果．
华南理工大学的邓颂九等【23~27】；对螺旋槽纹管内流体的流态、
强化传热机理及管参数的优化选择方法进行了深入研究．1979年
将螺旋槽纹管用于上海溶剂厂的甲醛余热锅炉中，使总传热系数提
高了60％；用于压缩机排气冷却．使传热强化了3倍；用于常减
压原油—渣油换热器．传热系数提高了1．2～1．5倍，对21种不同结
构尺寸的螺旋槽纹管采用蒸汽加热管内空气的办法进行了传热和流
动特性研究，经过筛选对比，对12种管型，再用蒸汽加热水进行传热实验，测定了螺旋槽纹管的传热系数和流动阻力，同时对影响
螺旋槽纹管传热与流动特性的因素进行了分析．给出了单头螺旋槽
纹管的最佳参数范围，即e／Di＝0.03～0.04，p／Di＝0.4～0.5，
在此范围内具有良好的传热与流阻性能．他们对螺旋槽纹管进行了
进一步的实验，采用9根φ19mm×l．5mm的黄铜管，测定了换热
器的总传热系数和管壳程的流动阻力等，指出该类换热器的性能明
显优于光管式换热器，应用在化工行业的汽—液热交换过程中．谭
盈科等人在进行无相变的强化传热研究中发现，在相同Re下，多
头螺旋槽纹管较单头螺旋槽纹管产生更强的螺旋流，边界上的旋流
有强化传热作用，但流体主体的旋流增加了流体的磨损和损耗，另
一方面，在相同的槽深和槽距的情况下，单头螺旋槽纹管有较大的
β角，使边界层容易产生分离．所以，在相同的Re、槽深和槽距情
况下，单头螺旋槽纹管和多头螺旋槽纹管相比，强化传热的效果相
差不多，但阻力可减少很多．因此，对于强化管内单相流体的传热
来说，宜采用单头螺旋槽纹管。
重庆大学【28】经试验研究及理论推导，得出了单头螺旋槽纹管
的半经验公式．并且通过实验数据的分析后认为p／Di＝0.5～
0.75，e／Di≤0.054的螺旋槽纹管的传热效果是较好的．西安交通
大学[29,30]对螺旋槽纹管中的工质是单相油的情况进行了实验研究，
对单相油在4根不同几何参数的螺旋槽纹管中的湍流摩擦阻力与传
热特性进行了分析，以Ravigururajan关联式为基础，提出了e／Di
的适用范围为0.02～0.04，Pr适用范围为41～120的计算油的阻
力系数及传热系数的统计关联式．
东南大学张毕、周强泰【31】以电厂锅炉的管式空气预热器为研
究对象，以空气为工质，利用可取得较高精度试验数据的套管式换
热器试验装置，研究了6根具有较佳结构参数的螺旋槽纹管在
Re＝104～105工况范国内的管内流动阻力和换热特性，以利于螺旋
槽纹管在电厂蜗炉空气预热器上的更好应用．试验所用螺旋槽纹管
由φ40mm×1.5mm有缝钢管轧制而成，均为单头螺纹管，其结构
参数见表2—2．
表2-2实验管结构参数【31】
符号
管号
p/mm
e/mm
e/Di
p/e
+
1
16.0
1.71
0.0462
9.36
△
2
16.0
1.53
0.0414
10.46
□
3
16.0
1.17
0.0316
13.68
×
4
20.4
2.00
0.0541
10.20
☆
5
20.1
1.22
0.0330
16.48
◇
6
12.0
1.60
0.0432
13.13
注：
光管用符号☆表示，符号与图2-2、图2-3相对应
试验表明：
螺旋槽纹管在强化管内换热的同时也使管内流动阻
力明显增加，图2—2和图2-3分别为螺旋槽纹管与光管在相同Re
下管内阻力系数f与Nu的比较．
对3根相同节距，不同槽深的管1，管2，管3比较可知，在
相同Re下，槽越深，管内阻力系数f和Nu数值越大．这是因为，
在相同的Re下，螺旋槽越深，因螺旋槽所产生的附加螺旋运动和
使边界层分离的作用越强，从而更加强化了管内换热，同时流动阻
力增加的更多．相同Re时，对槽深相近的管3和管5、管2和管6
相比较，结果表明：
节距越大，管内阻力系数f和Nu值越小．这
是因为，在相同的槽深、Re数和管内径条件下，螺旋槽纹管内流
动边界层分离区的涡流结构大致相同．许多研究者认为，当p／e≥
8时，分离流体得以充分发展．据此可以认为，试验中的各螺旋
槽纹管流动边界层的分离流体都可以充分发展。
在这样的情况
下，若采用大节距，则在两相邻螺旋槽之间的壁面上会出现一段
区域，在这段区域中前一螺旋槽产生的对边界层的扰动作用已削
弱，而后一螺旋槽对边界层的扰动作用尚未形成。
而且，这段区
域的长度会随着节距的增大而增长。
所以，在相同的槽深、相同
Re条件下，节距越小对流体边界层的分离作用越强，从而使管
内换热越强，流动阻力越大．试验表明：
螺旋槽纹管管内阻力系
数随Re的递减比光管阻力系数的递减平缓，并且这种情况在高
Re情况下更为明显，而螺旋槽纹管管内换热Nu随Re的递增规律
与光管极为相似．
由试验结果分析可知．螺旋槽纹管管内平均阻力系数f和换
热的平均Nu与螺旋槽的槽深、节距及雷诺数Re有关．为了便于
公式的推广和应用，以无量纲数p／e和e／Di作为结构特征参数，
对试验数据进行整理，得到螺旋槽纹管管内平均阻力系数f和换
热的平均Nu数的准则关联式
（2—1）
（2—2）
式（2-1）和式（2-2）的适用范围为Re=104～106，p／e=10.2～
16．5，e／Di=0．032～0．054．式（2-1）和式（2—2）计算结果与试验值
偏差分别为-8．61%～+10.92%和-5.61%~3.81%．
对于船用冷凝器而言，在选择冷却管管材时必须考虑的问题之
一就是海水腐蚀问题．众所周知，金属钛具有密度小、强度大、比
强度高等优良的力学性能，同时它还具有良好的综合耐腐蚀性能，
是至今耐海水腐蚀最好的材料之一．因此，针对钛螺纹槽管进行传
热及流动阻力的实验研究，对用诲水冷却的冷疑器的小型化具有重
要意义．哈尔滨工程大学的黄渭堂等【32】介绍了钛螺纹槽管传热及流动阻力的实验结果．并对结果进行了分析．根据大量实验数据。
得到了计算对流传热系数、冷凝传热系数及阻力系数的经验关联
式。
实验结果表明，钛螺纹槽管是实现冷凝器小型化较为理想的强
化管管型。
实验对TA2材质的钛光滑圆管及6根不同结构尺寸的单头螺
纹槽管（节距或槽深不同）进行了传热及流动阻力的实验，其结构
尺寸见表2-3，对实验结果进行了分析，并给出了有关的传热及流
动阻力的实验关联式．
2-3试验用螺纹槽管结构尺寸【32】
表2-3试验用螺纹槽管结构尺寸
管号
1
2
3
4
5
6
e/p
0.1290
0.1288
0.0180
0.0650
0.0863
0.1019
试验用的钛光管经特殊处理，6根钛螺纹槽管为一般清洗．实
验观察可见，钛光管与钛螺纹槽管表面均始终形成良好的膜状凝
结．实验所得数据采用修正的Wilison方法进行处理，所得结果见
图2-4～图2-6。
图2-4中hi为管内冷却水的对流传热系数，图2—6
中K为总传热系数．由图2—4可见，所有螺纹槽管的管内对流传
热系数均比光管的有显著提高．这是由于管内水流受到管内表面凸
起的螺纹槽扰动时，流体分离和扰动的频率加强，一方面削弱了螺
纹槽内层流底层的厚度，另一方面使主流流体的湍流度加大．上述
两者共同作用的结果，使得螺纹槽管的hi比光管的高．其中6号
管提高最多，在1X104的1.57—1．68倍．
图2-5示出了7根实验管管外的凝结传热系数h0与冷却水雷
诺数Re的关系曲线．由图2—5可见，在实验范围内，6根螺纹槽管
的h0均比光管的高。
这是由于水蒸气在螺纹槽管外表画凝结时，
凝结液膜在表面张力作用下流向螺旋形槽沟，从而减薄了两螺纹槽
之间钛管表面上凝液膜的厚度，降低了液膜的导热热阻，增大了凝
结传热系敷．其中最好的2号管在1X104管外凝结传热系数是光管的1．42~1．55倍．
从上述实验可见，螺纹槽管不仅强化管内对流换热．而且强化
了管外水蒸气的凝结换热，从而使总的传热性能较光管有显著的提
高．图2-6示出了7根实验管的总传热系数与管内冷却水雷诺数的
关系曲线．由图2—6可见，3号管的总传热系数与光管相比所差无
几，强化效果不明显。
这主要是由于3号管的螺纹槽槽深太浅（e=0.104mm），两螺纹槽之间的凸表面强度很小，曲率半径很大，
使其对表面张力的影响很小，对减薄液膜厚度所起作用不大，导致
h0与光管的相差不多（见图2—5）．另外，由于3号管的槽深大浅，
使得螺纹管内的螺旋凸起很小，对削弱层流底层所起作用不大，
从而使管内hi较光管的提高也不多（见图2-4）．其余各管的总
传热系数与光管相比都有不同程度的提高。
以5号管和2号管最
为明显，在1X104光臂的1．20~1．29倍．在试验研究及数据处理的基础上，作者
对管内对流传热系数及管外凝结传热系数进行了回归，鉴于3号
管的强化传热总体性能很差，故在回归时未予以考虑，回归结果
如下．
1管内对流换热关联式
（2-3）
适用范围：
1X104管长径比L／d=68．96。
经验关联式的误差为15％．
2管外凝结换热关联式
（2-4）
式中C0——冷凝特征数；
d——实验管外径；
Re0——液膜雷诺数，
g——重力加速度；
μ1——液膜动力黏度；
ρ1——液膜的密度，
k1——液膜的传热系数．
适用范围：
61的误差为15％．
③流动阻力试验结果作者对钛光管及6根螺纹槽管在冷态
条件下，进行了管内淡水流动阻力测试，如图2-7所示为钛光管和6根螺纹槽管阻力系数f与冷却水雷诺数Re的关系曲线．由图2—7
可见，所有螺纹槽管的阻力系数f与光管的变化趋势一致．但均
比光管的数值要大．随着管内冷却水雷诺数的增加，阻力系数呈下
降趋势，但变化缓慢，最终趋向于定值．实验结果表明，在其他条
件相同的情况下，槽深e越大，节距p越小，则阻力系数f越大，
这是由于扰动增强的结果．为减小流动阻力及降低泵耗，采用小节
距、浅槽深的螺纹槽管比较适宜．
作者对6根螺纹槽管的阻力系数f进行了回归，所得冷却水侧
阻力系数关联式为
（2-5）
适用范围：
0.065验关联式的误差为18％．
此外，哈尔滨工程大学的孙中宁【32~35】等人对由铜镍合金管轧
制成的螺纹槽管进行了实验研究，在光管冷凝器与螺纹槽管冷凝器
对比试验研究的基础上，给出了冷凝器传热、水阻及冷凝特性的试
验结果，对螺纹槽管冷凝器的传热性能做了评价．对螺纹槽管的疲
劳强度进行了试验及分析，并对螺纹槽管的结垢问题做了论述。
所
得结果为螺纹槽管开发用于船舶冷凝器提供了依据。
上海电力学院的夏雅君等人【38】也对螺旋槽纹管管内流动和换热进行了实验研究。
西安交通大学的陈冬等人根据单相油在4根不同几何参数的螺旋槽
管中流动与传热特性的实验结果，以动量热量传递比拟理论为基础
整理数据，得到了互相耦合的动量传递粗糙度函数与热量传递粗糙
度函数表达式和螺旋槽纹管中油的湍流阻力系数与传热系数统计关
联式。
研究结果为广泛应用于能源，动力、石油与化工等领域中的
以油为加热或冷却介质的换热器设计提供了依据．
北京理工大学姚仲鹏及其同事们【37~41】对于上述国内外研究的
螺旋槽纹管进行了十余年的研究．研究开发出异形凹槽螺旋槽纹
管，称为旋流管．这种强化管不同于上述的传统螺旋槽纹管．它采
用半流线的勺形或“w”形等多种形面，1994年获得国家发明专
利．通过对水-水，水—油，油—油换热大量的实验研究，证明与其他
异形管相比，具有强化传热效果显著，结构简单，加工方便等优
点．其强化机理为：
靠近壁面的流体在螺旋槽纹的引导下，产生附
加的旋转流动，使热阻减小，传热得到增强，与此同时．由于流体
受螺旋状凸肋的作用，产生边界层分离现象，加强了流体混合，从
而加快由壁面至流体主体的热量传递。
实验和实际应用已经证明，
与相同直径光管相比．其突出优点是：
可节约传热面积20％～
30％；节约金属材料（管材）20%以上；管内放热系数可提高3．5
倍；压降增大1．1～4倍。
经专家组鉴定，此项技术达到了20世纪
90年代国际同类技术的先进水平．已用于我国重载牵引内燃机车
和准高速内燃机车的机油冷却器、冶金和石油化工生产中的各种列
管式换热器以及医疗器械如激光器的冷却器等。
此外，北京理工大
学在多年实验研究的基础上，从1994年开始，对于螺旋槽纹管管
道内的紊流流动和换热进行数值模拟研究【1】，取得了可喜成果，
这在国内外是不多见的．
2．1．2有相变传热螺旋槽纹管管外凝结换热
螺旋槽纹管对管内沸腾及管内外冷凝传热均能起到显著的强化
作用．螺旋槽纹管具有的凹凸曲面使得凝结液在表面张力的作用下
易于排泄，一些研究成果也证明了这一点．对于其冷凝的传热强化机理，Withers等和Newson等均认为是螺旋槽使冷凝液膜产生附
加的表面张力场，使平均冷凝液膜减薄，从而强化了传热．With—
ers研究表明，当冷却水侧的阻力相同时，将螺旋槽纹管用于冷凝
器比用光管节省材料30％～50％，管外的凝结传热系数增大
35％～50％．日本学者茂木岩夫等用水蒸气做单头螺旋槽纹管的水
平管外凝结换热实验，发现效果最佳的管子（Di＝19mm，p＝
0.9mm）的凝结传热系数可比光管大2．3倍．
东南大学的帅志明、金安【42~46】在蒸汽凝结条件下进行了水平
螺旋槽纹管的强化换热研究，用冷态做阻力实验，进行了数据关
联，得到了螺旋槽纹管的换热计算公式，对不同材质（铜、碳钢、
不锈钢）的水平螺旋槽纹管强化传热性能进行了比较，并用不锈钢
螺旋槽纹管加热器[26】取代某电厂的原有光滑铜管低压加热器可以
实现电厂锅炉无铜化，减少电化腐蚀．
上海交通大学的吴慧英[47]等将e/p=0.04的螺旋槽纹管安装
在某厂的蒸汽凝结换热器上，该换热器的传热系数、冷却水温升，
总阻力损失分别比光管凝结换热器增加48.41％、3.22℃，
84.62％，且其热力性能指标Q／Q0高达1．245。
这表明，螺旋槽纹
管换热器比光管换热器具有更好的热经济性．研究发现，这种管可
用于液—液，液—气和气—气等传热的强化：
它不仅可强化传热且其抗
污垢性能又高于光滑管．因而可以广泛地用于动力、海水淡化、船
舶、炼油、石油化工等换热设备上。
2．1．3螺旋槽纹管凝结换热理论方程【48，49】
（1）传热模型
螺旋槽纹管的管外冷凝过程主要由重力、黏性力及表面张力支
配，尤其是在管外表面的凹槽处，表面张力往柱几倍于重力，管外
水平段上凝液在表面张力作用下被拉向凹槽根部，则水平段上凝液
量减少，液膜变薄．凝液在槽中受张力形成的压差和重力作用迅速
地流到管底部排除
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