1.流体旋转法

强化单相流体管内对流换热的有效方法之一是使流体在管内产生旋转运动，这时靠壁面的流体速度增加，加强了边界层内流体的搅动。同时由于流体旋转，整个流动结构发生变化，边界层内的流体和主流流体得以更好地混合。以上这些因素都使换热得到强化。

使流体旋转的方法很多，在工艺上可行的有以下几种。

1）管内插入物

使流体旋转最简单的方法是管内插入各种可使流体旋转的插入物，如扭带、错开扭带、静态混合器、螺旋片、径向混合器、金属螺旋线圈等。

（1）扭带：扭带是最简单的旋流发生器（见图2-2）。它由薄金属片（通常是铝片或钢片）扭转而成。扭带的扭转程度由每扭转360°的长度H（称为全节距）与管子内径d之比来表征。H/d称为扭率。扭率不同，强化传热的效果也不同。在湍流工况和最佳扭率（H/d=2.48）下光管内插扭带的PEC-1值约为1.2，但在层流工况下光管内插扭带（H/d=2.4～3.0）PEC-1值可达2.0，甚至更高。

（2）错开扭带：错开扭带是将扭带剪成扭转180°的短元件，互相错开90°，再点焊而成。

（3）静态混合器：由一系列左、右扭转180°的短元件，按照一个左旋、一个右旋的排列顺序，互相错开90°，再点焊而成。

图2-2　扭带示意图

（4）螺旋片：由宽度一定的薄金属片在预先车制出的有一定深度和一定节距的螺旋槽的心轴上绕成。

（5）径向混合器：用薄金属片冲压成具有一个圆锥形收缩环和一个圆锥形扩张环的元件，在环上开许多小孔，然后将这些元件按一定间距点焊在一根金属丝上，插入管内就成为一个径向混合器。

（6）金属螺旋线圈：用细金属丝绕制成三叶或四叶的螺旋线圈，插入管内，即可使流体旋转。

除上述常用的插入物外，还有一些其他形状的插入物。管内插入上述插入物后，插入物和流体的相互作用会引起旋转流体中生成复杂的二次流旋涡（图2-3），此外边界层中流动缓慢的流体还会和流核区流体相互混合，这些情况既使管内流体由层流向湍流过渡的临界雷诺数（Re）降低，又强化了管内换热。当然由于流体的旋转，流动阻力也会相应增加。实验研究证明，在低Re区采用插入物比高Re区强化传热的效果更加显著，这说明层流时采用插入物是很有效的。等功率和等流量的实验研究表明，各种插入物的强化效果在层流区都随Re的增加而增加。在相当于光管由层流向湍流过渡的临界Re时达到最大值，然后又随Re的增加而减小。在Re=500～10000的范围内，在相同的流量下，静态混合器可获得较强的传热效果。因此在系统压降有余量的情况下，为强化传热可优先采用静态混合器。在要求消耗功率一定的情况下，则可选用螺旋片和扭带，此时螺旋片还有节约材料的优点。

许多研究者提供了管内加插入物后计算流动阻力和传热的公式，这些公式大多是以实验研究为基础的。例如，对插入扭带的管内换热可采用如下的经验公式：

值得注意的是，在选用诸多经验公式时应注意拟选用公式的应用条件和范围。例如式（2-19）的应用范围即为1700≤Re≤20000、2.5≤Pr≤9.0、0.13≤d/H≤0.31。同时还需注意，采用管内插入物后传热虽增加了，但流动阻力也随之增加，因此通常在计算强化传热的同时，还应进行流动阻力的核算和经济性的比较，这样才能获得满意的结果。

图2-3　旋转流体中二次流的示意图

采用管内插入物来强化管内对流换热，其优点是：方法简单；制造方便；改造时可不改变原换热器结构；易于安装拆卸；插入物抽出后管内污垢仍可用换热器原清洗方法进行清洗。缺点是：结构不够牢靠；在湍流工况下流动阻力增加较多，性能评价指标不高，一般用于增强现有换热设备的传热能力。

2）螺旋槽管和螺旋内肋管

对新设计制造的换热设备，多采用螺旋槽管或螺旋内肋管来使流体旋转（见图2-4）。螺旋槽管可以用普通圆管滚压加工而成，它有单头和多头之分。螺旋槽管的作用也是引起流体旋转，使边界层厚度减薄并在边界层内产生扰动，从而使传热增强。与管内插入物相比，螺旋槽管具有如下优点：①结构简单且生产效率高；②不易积灰，且有一定的抗垢能力；③与阻力增加的幅度相比，传热能力提高较多，故性能评价指标较高，在湍流工况下其PEC-1值可达1.4～1.45。研究表明，在相同的Re及槽距、槽深的情况下，单头螺旋和三头螺旋相比，强化传热的效果差别不大，但流动阻力减小很多，因此实际上多采用单头螺旋槽管。目前螺旋槽管已广泛用于管式空气预热器、电站凝汽器中。对于单头螺旋槽管，其传热和流动阻力可按下式计算：

式中的e和p的意义如图2-4所示。

采用螺旋内肋管，一方面可使流体旋转，另一方面内肋片又加大了管内换热面积，有利于增强传热或降低壁温。虽然其加工比较复杂，但仍是一种理想的强化传热管。翅片数较多（8个以上）且翅片高度较大的螺旋内肋管既适合于层流的换热强化，也适合于湍流的换热强化。研究表明，在同等管径和功耗下，8个以上翅片的高翅管湍流时的强化性能指标PEC-1值可达1.6～1.9。目前螺旋内肋管也已广泛应用于制冷行业中。

图2-4　螺旋槽管和螺旋内肋管

3）螺旋槽管与扭带的复合强化技术

螺旋槽管虽已广泛用于管内对流换热的强化，但一般认为在层流中，特别是当雷诺数较低时，强化效果不明显。此时如在螺旋槽管中插入扭带，将使对流换热得到明显强化。实验证明，在Re=100～1000范围内，在相同换热面积和流体功耗下，仅为螺旋槽管时其换热量可比光管提高30％～40％，而螺旋槽管与H/d=2.92的扭带复合时换热量则可提高60％～150％，且提高比率随雷诺数增加。以上情况说明螺旋槽管与扭带的复合强化传热在层流流体中有明显的强化效果。

文献［11］报道了湍流工况下螺旋槽管与扭带的复合强化技术。研究表明螺旋槽管与扭带复合后，管内换热系数可以达到光管数值的3倍以上，但此时流动阻力也提高更多，可达7～8倍。

因此在采用螺旋槽管与扭带的复合强化技术时，要特别注意区分强化对象的流动工况。在层流工况下采用复合强化技术强化效果好，且随着Re的增加，传热比阻力增加得快，故强化效果随着Re的增加而提高。在湍流工况下，随着Re的增加，阻力比传热增加得更快，强化效果随着Re的增加而降低；在Re=8×104～105区域，除非为了提高换热系数，从性能评价指标的角度，螺旋槽管没有与扭带复合的必要。值得注意的是，螺旋槽管与扭带的旋向对强化效果也有影响。实验证明，相反的旋向优于相同的旋向。

4）内翅管与扭带的复合强化技术

对于油一类的高黏性流体，其流动多处于层流状态，为强化传热采用内翅管与扭带的复合强化技术十分有效，在相同的功耗下换热量可增加至光管的3～4倍。实验表明对于湍流工况，例如工业锅炉的铸铁空气预热器，采用内翅管与扭带的复合强化技术也能取得一定的效果。

2.改变流道截面形状

1）层流工况和过渡工况

流动截面形状对换热和阻力有很大的影响，特别是对层流工况而言。实验证明，当管道较长及Re较小时，换热的Nu实际上与Re无关。表2-4列出了各种不同截面的流道中换热的Nu及阻力系数f的值。

表2-4　层流时不同截面形状的Nu

从表2-4可以看出，合适高度比的矩形截面的换热比三角形截面和圆形截面要高得多。以锅炉中的回转式空气预热器为例，由波纹板和平板可组成不同形状的流道，如三角形流道和近似矩形的流道，计算表明在传递相同的热量时，三角形流道的换热器将比矩形流道的换热器长18％，而矩形流道流动阻力比三角形流道要小30％。

对一般圆管和矩形截面而言，在管道中温度条件相同时，采用矩形管道也能增加换热系数，但与此同时流动阻力会急剧增加。

在由层流向湍流过渡的过渡区中，管道截面形状对换热也有较大的影响。例如，在具有槽形截面通道的板式换热器中改用波纹板，可以显著提高换热系数。

2）湍流工况

（1）横槽纹管和波纹管。(www.daowen.com)

湍流工况时为改变管子的流道截面情况，应用最广的是所谓横槽纹管。它由普通圆管滚轧而成（见图2-5）。流体流过横槽纹管会形成旋涡和强烈的扰动，从而强化传热。强化的效果取决于节距p和横槽纹的突出高度h之比。实际应用中p/h≥10。与前述的螺旋槽管相比，由于横槽纹管的旋涡主要在管壁处形成，对流体主流的影响较小，因此其流动阻力比相同节距与槽深的螺旋管小。

图2-5　横槽纹管

谭盈科等对p/d=0.5、h/d=0.03的横槽纹管的测定表明，当工质为空气时，Re=3.4×104，横槽纹管的换热系数可比普通光管提高1.7倍，阻力增加2.2倍；如工质为水，Re=4000，换热系数可提高1.4倍，阻力增加1.7倍。当流体纵向冲刷环形槽道时，为了强化传热，可在管内采用横槽纹管，这样内外流体都能得到强化。

波纹管（见图2-6）是用普通无缝薄钢管经过特殊加工而成的，外形像糖葫芦一样，管内流体在低流速的情况下呈湍流状态，也可用于管内单相流体的传热强化。

图2-6　波纹管结构示意图

（2）扩张-收缩管。

流体沿流动方向依次交替流过收缩段和扩张段（见图2-7）。流体在扩张段中产生强烈的旋涡，被流体带入收缩段时得到了有效的利用，且收缩段内流速增高会使流体层流底层变薄，这些都有利于增强传热。

图2-7　扩张-收缩管

扩张-收缩管（简称扩缩管）的性能取决于l1、l2、h、β1、β2等参数。一般扩缩管中扩张段和收缩段的角度应使流体产生不稳定的分离现象，从而有利于传热，而流动阻力却增加不多。扩缩管是一种很有前途的强化传热管，特别是对污染的流体，扩缩管不易产生堵塞现象。

对于非圆形槽道，亦可利用扩缩管的原理使流道扩缩，如在两块平板间加入两块带锯齿表面的板，就可构成扩缩槽道。

3.纵向涡强化转热技术

1）纵向涡强化传热的原理

当流体绕物体流动时，在物体后而会产生旋涡。如果物体布置合适，且与来流形成适当的角度，则会产生一系列的纵向旋涡。旋涡促进了主流与换热壁面间的动量和能量传递，从而达到强化传热的目的。

这种传热强化方法的关键是设计合理扰流结构，以诱发二次流。值得注意的是，对于同样的扰流结构（如矩形涡发生器），其不同的布置方式也会产生不同的旋涡形式。图2-8所示为几种类型的纵向涡发生器。

图2-8　几种类型的纵向涡发生器

α—攻角；A—尺度比

过增元等对纵向涡强化传热进行了深入研究，提出了以下两种纵向涡强化传热的方法：①换热管非圆截面的交叉变化。流体由于非圆截面的交叉变化，而产生强烈的二次流，二次流在黏性和惯性的作用下发展成多纵向涡流。②换热管内设置不同方向倾斜的内凸起，该凸起类似于纵向涡发生器，流体在不连续和不同方向的倾斜的内凸起的作用下会产生多纵向涡流。

2）交叉缩放椭圆换热管

交叉缩放椭圆换热管是由多个轴线相互交叉的椭圆形截面管段和部分光滑圆形截面管段组成，且相邻管段之间存在过渡段。过增元等推荐的交叉缩放椭圆换热管的外形见图2-9，其结构见图2-10。

图2-9　交叉缩放椭圆换热管的外形

图2-10　交叉缩放椭圆换热管的结构

实验研究表明，当Re=500～2300时，与圆管层流换热相比，交叉缩放椭圆换热管的换热可增强1.5～5倍，摩擦阻力系数增加100％～350％；当Re=2300～104时，换热可增强60％～170％，阻力增加150％～160％；当Re=104～5×104时，换热增强35％～60％，阻力增加150％～200％。由此可见，在低雷诺数对流换热区，交叉缩放椭圆换热管有很好的强化换热性能。

3）不连续双斜向内肋管

不连续双斜向内肋管是在换热管的内壁面形成许多不连续的、与轴线成一定夹角并向两个方向倾斜的棱状凸起物（双斜内肋）的新型强化传热管。所谓“不连续”，是相对于螺旋槽管（螺旋连续）、螺纹管（螺旋连续）、横槽纹管（周向连续）而言的，即内肋是一种具有一定长度的粗糙元（棱状凸起）。不连续双斜向内肋管的结构如图2-11所示。

图2-11　不连续双斜向内肋管的结构

对不连续双斜向内肋管而言，管内流体在壁面上大量双斜内肋的作用下产生多纵向涡流，且涡流主要集中在管壁面附近，从而强化了对流换热。过增元等的实验研究结果表明，用水作为工质，当Re=104～5×104时，换热可以增加110％～130％，但同时阻力增大220％～240％。

4.强化管内单相流体对流换热的其他方法

强化管内单相流体对流换热除了上述方法外，还有其他的一些方法。例如：人工粗糙壁面法；改善管内速度场和温度场之间的协同程度，使管内温度场更加均匀等。

1）人工粗糙壁面法

用人工方法使壁面粗糙也是强化管内单相流体对流换热的一种有效方法。其中二维粗糙壁面包括各式各样的环状粗糙壁面、肋状粗糙壁面、滚压槽形粗糙壁面，有时螺旋形凸出表面（如滚压螺旋槽管）也可看作二维粗糙壁面。

二维粗糙壁面多用于强化管内湍流流体的对流换热。当邻近壁面的流体流经粗糙物时，在粗糙物的端部会发生边界层的分离，边界层分离所产生的流体旋涡不但会增加流体的湍动度，而且分离流体与壁面重新接触时，好像一股射流冲击在壁面上，使邻近流体换热强度提高。如果在壁面上按一定节距布置粗糙物使其间流体边界层得不到充分发展，就可大幅度地提高流体与壁面的换热强度。有关各种二维粗糙壁面的强化机理和结构参数对传热强化的影响可参阅文献［12］。

在二维粗糙壁面的基础上又发展了三维扩展表面。实验和工业应用都表明，带三维扩展表面的强化传热管，其换热强度高，对有相变的对流换热过程强化效果尤为明显。

2）改善管内速度场和温度场之间的协同

按照强化传热的场协同原理，改善管内速度场和温度场之间的协同程度，无疑能强化管内的对流换热。有许多方法可以改善管内速度场和温度场之间的协同程度，其中采用纤毛肋来强化管内的对流换热就是一个典型的例子。

焊在管内壁的纤毛肋与传统强化结构中针肋在结构上虽有相近之处，但强化传热的机理有本质上的不同。从结构上说，纤毛肋的长径比非常大（通常大于10），而针肋的长径比则要小得多。此外纤毛肋在管内的体积填充率非常小（约为1％），故流动阻力只会稍有增加。因此纤毛肋管不是依靠增大传热面积来强化传热，而是通过纤毛肋的高导热能力来改变流体的温度场，使主流温度场更加均匀，从而改善管内速度场和温度场之间的协同程度，使传热得以强化。当流体为气态工质时，由于纤毛肋和气体的导热系数相差很大，纤毛肋强化换热的效果更为显著。

数值计算和实验研究均证明，纤毛肋强化传热的效果主要取决于其长径比和肋与流体的导热系数之比。对给定的填充率，长径比越大效果越好，导热系数比越大，换热增强越明显。由于纤毛肋与管壁是通过焊接方式连接，加工量大，工业上应用有困难，于是出现了双螺旋弹簧强化传热管。它是将高导热的金属丝（铜丝、不锈钢丝）缠绕成弹簧后，再沿着具有较大中径和螺距的轨迹缠绕成弹簧，塞入传热管内，依靠本身的弹性，双螺旋弹簧能够与管壁紧密接触，如果将双螺旋弹簧塞入传热管后再进行钎焊，则其效果更好。实验表明，双螺旋弹簧强化传热管具有优良的强化传热性能，在低雷诺数下强化效果尤为显著。有关纤毛肋来强化管内的对流换热的详细资料可参阅文献［13］。