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1、 同轴套管的优势初探白俊文 石景祯 赵凯凯（杭州沈氏换热器有限公司）摘要：作为近年来发展的高效换热技术之一同轴换热器，其核心部件为内管即：螺旋槽纹管。国内外对该高效换热管型，虽有一定的技术研究，但研究的深度与广度，还远远达不到实际应用的需求。笔者所在单位，作为最先使用该先进技术的公司之一，对该管型做了大量的试验，已有一定的经验总结。在此根据试验数据把对该换热管的粗浅研究资料，介绍给业内同仁，算是抛砖引玉，希冀与有识之士共同提高。关键词：高效换热器；同轴换热器；螺旋槽纹管；强化传热。Researches on the advantages of coaxial tubeBai junwen Sh
2、i jinzhen Zhao kaikaiABSTRACT As one of the development of efficient heat exchanging technology in recent years-coaxial heat exchangers, have its core components, called spirally corrugated tube. although there are certain techniques about this high efficiency heat transfer pipe-type, but the depth
3、and breadth of the study, is far less than the actual application needs. The author organization, as one of the first to use the advanced technology companies, has done lots of test with it, got a certain degree of experience. According to the test data of tubes on the superficial research, the adva
4、ntages of tubes, are introduced to colleagues in the industry here. It is only a catalyst, hope and insight to improve .Key words high performance heat exchangers; coaxial heat exchangers; spirally corrugated tube; enhanced heat transfer随着科学技术的提高，人们对生活品质的追求目标日益高涨；而工业革命所带来对环境的负面影响，也越来越显现在现代人面前。一边是生活的
5、舒适与便捷，另一边是日渐恶劣的居住环境，于是“节能环保”日渐成为时代的最强音。作为工业基础产品之一的换热器，当然也不例外，虽然提高性能的脚步，在业内从来没有停止过，但传热强化在今天就尤为迫切与急需。尤其是上世纪 90 年代以后，各种措施与手段更是突飞猛进，层出不穷。如主动强化技术中的机械方法、表面振动、流体振动、外加电磁场、引射与虹吸；被动强化技术中的扩展表面、表面涂层处理、表面粗糙处理、插入式流体置换元件、旋转流场技术、表面张力与添加物等技术与措施。这些技术手段，有许多已经使用在现今的产品上，实例不胜枚举，仔细体会一下我国制冷/空调产品的变化，就可窥全貌。同轴套管就是这些强化传热技术中，性能
6、高效而又商业化成功的典范。其核心部件是其内管即：螺旋槽纹管，该管型是在原有螺旋槽管的基础上，与常规的螺旋波纹管（伸缩软管）交叉研究后的产物。比前者换热效率更高，又兼有后者能在一定范围内伸缩的优势。不仅耐受振动、压力波动、冷热交替冲击等机械外力，而且具有自洁净功能，在一定条件下可以自动除去附着在其表面的尘垢。更重要的是她的出现，由于其结构特征保证了水侧没有死区，使热泵热水器终于有了最适合而又可靠性与寿命双高的冷凝器！1、 结构、几何特征及其面积1.1 总体机构同轴套管，按其结构形式可以分为如下几种（其中方形包含矩形）：根据所服务的功能，单个产品可以并联使用满足大容量需求，也可以串联使用满足大温差
7、需求，或混合使用满足特殊的需求。1.2 内部结构内部结构常见的为一根螺旋槽纹管外套一根光管，并保证 2 管的中心线同心（结构简图见右） 。有的为 2 根槽纹管外套一根光管；多根套多根的比较少见。内外管根据满足各种不同的功能需要，可以分别选择不同的金属材料或可加工的非金属材料制成，使得其应用范围十分宽广。1.3 参数及其面积螺旋槽纹管属多种传热强化技术综合运用的结晶，且实现了换热介质 2 侧的同时换热强化。但由于其复杂的换热机理，加上 2 侧扩展面积与纯换热强化的相互交叉作用，至今没有比较准确的准则方程式出现。即使是换热面积的计算，由于其组成螺旋槽的型线多变，也没有通用的公式！参考文献（1）介绍
8、了一种简单螺旋槽型线的外表面积计算方法，见下：图中主要结构参数为：内径 Di、螺旋槽节距 P、波峰圆半径 R、波波谷圆半径 r、角度 、螺旋升角、槽深 h 及管壁厚 。单位管长的螺旋槽纹管管外传热表面积计算公式：其中实际上除了以上结构参数外，还有螺旋槽头数、管外径、管内最小通径、螺旋筋倾角（沿螺旋升角，螺旋筋偏离法线的角度） 、表面平均筋宽与平均槽宽（或最大最小筋宽与槽宽）及代替上图中 R、r、 组合的螺旋槽型线组成各参数值组合。左图为双壁型螺旋槽纹管的截面实际图，可见组成螺旋槽型线的各曲（直）线段，是复杂多变的。2、 各参数对传热与阻力及其承压强度的影响迄今为止国内外公开发表的资料中，绝大多
9、数是对螺旋槽管（低槽深，槽深与外径的比值小于 0.1）的研究结果，但对于螺旋槽纹管（高槽深螺旋槽管）的实验与理论研究，还比较少见。左图为该管型常规使用的图示与管内 FLUENT 软件模拟的结果图示。该管型大多数使用情况为，制冷剂在管外，载冷剂在管内。根据我们大量测试的数据，冷凝器的凝结换热强化效果优异；蒸发温度若高于 5 度时，沸腾换热强化也比较明显；低于 5 度时，换热系数衰减较大，但也大大高于光管。2.1 强化传热机理分析从特有结构而言，螺旋槽纹管将 2 侧流体由光管内的一维流动变为 3 维无数涡流扰动的多维流动，同时兼具了扩展表面、表面粗糙处理、旋转流场与流体微振动 4 种传热强化技术，
10、使得当量传热系数成倍增加。从流动的传热强化而言，目前公认的是至少有 2 种流动方式在起主要作用。一种是螺旋槽对其附近流体流动的限制作用，使流体沿槽道产生附加的螺旋运动。这样在螺旋运动与横向直线运动的交界处，发生剧烈的涡流混合，使传热边界层得到撕裂甚至破坏；另外还提高了进壁处流体与管壁间的相对运动速度，同时减薄了在失而复得中循环的传热边界层，综合提高了传热速率。一种是螺旋槽导致的形体阻力，相当于人工粗糙表面的作用。在横肋的前后，产生逆向压力梯度，使传热边界层出现分离涡流，导致破坏流动边界的效果；同时加强了流体径向的混合，减少了边界层热阻，综合提高了传热速率。其它因素如多个涡流引起的流体微振动、多
11、维流动方式的影响等，还有待研究。下图为 FLUENT 软件模拟的几个算例：管内截面温度图示管内轴向温度图示（扰流程度可见下图左端的出口端形状）管外入口段端截面温度图示管外出口段截面温度图示管外轴向温度图示2.2 参数槽深左图为我们对一种管在保持其它参数不变时的实测数据图。（备注：传热系数的值为实测换热量除以加工螺旋槽纹管前基管外表面积）从图中可以得出的结论为：换热系数随着槽深的加大而增大。同时根据我们爆破试验的结果，其耐压强度随槽深的加大而降低。2.3 参数节距（对单头螺旋槽纹管为螺距，多头为螺距/头数）换热系数随着节距的加大而减小，但耐压强度随节距的加大而升高。2.4 其它参数槽宽与内外管径间间隙：筋宽与螺旋槽纹管最小通径：螺旋升角：螺旋筋倾角：3、 结论与展望参考文献：（1 ） 肖国俊 螺旋槽换热管传热面积计算（2 ） 陶文铨 数值传热学第二版
