綜述了螺紋管、橫紋管、多向擾流強(qiáng)化換熱管的研究及應(yīng)用現(xiàn)狀，重點(diǎn)討論這三種強(qiáng)化換熱管傳熱與阻力性能、結(jié)垢性能、力學(xué)性能等，指出不銹鋼多向擾流強(qiáng)化換熱管具有傳熱系數(shù)高、抗腐蝕、抗結(jié)垢、抗振的特點(diǎn)，在凝汽器中具有廣闊的應(yīng)用前景。
為了提高電廠能源利用效率，我國發(fā)電機(jī)組逐步步入大容量、高參數(shù)的發(fā)展階段，優(yōu)化設(shè)計(jì)高效率、大功率燃煤發(fā)電機(jī)組也是實(shí)現(xiàn)我國“十二五”期間節(jié)能減排目標(biāo)的重要舉措。隨著汽輪機(jī)單機(jī)功率的不斷增大，凝汽器逐漸向大型化方向發(fā)展。如果在凝汽器設(shè)計(jì)階段應(yīng)用強(qiáng)化傳熱措施，則可以減小凝汽器的尺寸，降低造價；如果在凝汽器運(yùn)行階段采用強(qiáng)化傳熱措施，則可以提高機(jī)組真空度，降低運(yùn)行費(fèi)用。因此，凝汽器采用強(qiáng)化傳熱技術(shù)，對電廠的節(jié)能降耗具有重要意義。
自1971年WITHERS等[3]率先提出在電廠凝汽器中使用強(qiáng)化換熱管取代傳統(tǒng)光管的構(gòu)想后，歷經(jīng)多年的發(fā)展，該技術(shù)已成為當(dāng)前研究及應(yīng)用較多的電廠凝汽器強(qiáng)化傳熱技術(shù)。凝汽器管內(nèi)、外換熱系數(shù)為同一個數(shù)量級，因此最好采用雙側(cè)強(qiáng)化換熱管來提高凝汽器的傳熱性能[]。螺紋管、橫紋管及多向擾流強(qiáng)化換熱管具有雙側(cè)強(qiáng)化換熱能力，且均有在電廠凝汽器中應(yīng)用的報(bào)道。本文中總結(jié)國內(nèi)外的研究成果，介紹上述三種強(qiáng)化換熱管的性能，并討論不同管型之間的差異，以期為強(qiáng)化換熱管的發(fā)展和工程實(shí)際應(yīng)用提供參考。
螺紋管的研究
自從1966年美國的LAWSON等發(fā)表了第一篇關(guān)于螺紋管的研究報(bào)告以來，螺紋管逐漸受到人們的關(guān)注。螺紋管是在普通光管外壁滾軋螺紋而得到的一種強(qiáng)化換熱管，其管外為螺旋形凹槽，管內(nèi)為螺旋形凸起，結(jié)構(gòu)如圖1所示。按照軋制時螺紋頭數(shù)的不同，可分為單頭螺紋管和多頭螺紋管。
李向明等對國內(nèi)外螺紋管強(qiáng)化傳熱機(jī)理的研究成果進(jìn)行了總結(jié)。螺紋管強(qiáng)化管內(nèi)單相流體換熱的機(jī)理是：螺紋槽對近壁面流體的限制而使流體產(chǎn)生附加螺旋流動，提高了近壁面流體與壁面之間的相對運(yùn)動速度，從而減薄了傳熱邊界層厚度；此外，螺紋槽對管內(nèi)流體的流動產(chǎn)生形體阻力，使邊界層發(fā)生分離。螺紋管強(qiáng)化管外凝結(jié)換熱的機(jī)理是：螺紋槽成為排泄凝結(jié)液的通道，使螺紋槽上部的凝結(jié)液膜減薄，而在凝結(jié)液表面張力的作用下，液膜厚度進(jìn)一步減薄，管外換熱系數(shù)提高。
螺紋頭數(shù)、節(jié)距（p）、槽深（h）等結(jié)構(gòu)參數(shù)對螺紋管傳熱與阻力性能有重要影響，國內(nèi)外學(xué)者對其進(jìn)行了大量的研究。譚盈科等通過對單頭及多頭螺紋管的傳熱與阻力性能實(shí)驗(yàn)，得出的結(jié)論是：相同節(jié)距、槽深的條件下，單頭與多頭螺紋管相比，傳熱性能差別很小，但是阻力卻減小很多。對于工程應(yīng)用，單頭螺紋管的應(yīng)用更加廣泛。因此為了討論方便，以下文中“螺紋管”如無特別說明，均指單頭螺紋管。WITHERS1）通過實(shí)驗(yàn)得到了螺紋管管內(nèi)換熱系數(shù)與阻力系數(shù)計(jì)算公式并指出不同Re數(shù)下最佳節(jié)距和槽深。吳慧英等對水平螺紋管在蒸汽凝結(jié)條件下的傳熱與阻力性能進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，得到了傳熱與阻力性能關(guān)聯(lián)式，并指出：當(dāng)節(jié)距一定、槽深越大或槽深一定、節(jié)距越小時，螺紋管強(qiáng)化傳熱效果越顯著。
李軍等通過數(shù)值模擬的方法，得出的螺紋管傳熱與阻力性能隨節(jié)距、槽深的變化規(guī)律與文獻(xiàn)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果相同。
國內(nèi)外學(xué)者對螺紋管的污垢特性也進(jìn)行了比較多的研究，但是由于實(shí)驗(yàn)條件不同，因此得出的結(jié)論不一致，有的甚至相反。RABAS等對螺紋管的污垢特性進(jìn)行研究，通過螺紋管與光管在凝汽器中的運(yùn)行實(shí)驗(yàn)，得出了螺紋管的污垢速率大于光管的結(jié)論。徐志明等通過實(shí)驗(yàn)得出了與之相同的結(jié)論。帥志明等通過實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)螺紋管的抗垢性能好于光管，且管內(nèi)流速大的情況下螺紋管的抗垢能力強(qiáng)。錢頌文等通過實(shí)驗(yàn)，也得出了螺紋管的抗垢性能優(yōu)于光管的結(jié)論。
PANCHAL等認(rèn)為螺紋管的污垢特性與結(jié)構(gòu)參數(shù)無關(guān)，但是李蔚等通過實(shí)驗(yàn)，證明螺紋管的結(jié)構(gòu)參數(shù)對污垢的形成有很大影響。
螺紋管是光管在常溫下通過滾軋而得到，在螺紋槽處存在應(yīng)力集中的問題，為凝汽器冷卻管應(yīng)力腐蝕的出現(xiàn)埋下了隱患。張勇等通過理論分析，得到螺紋槽底部的應(yīng)力值是光管平均值的4-5倍，而且槽深越大，應(yīng)力集中的問題越嚴(yán)重。
螺紋管由于具有傳熱性能好、加工方便、制造成本低等優(yōu)點(diǎn)，是國內(nèi)外電廠凝汽器中應(yīng)用的主要強(qiáng)化換熱管型，前蘇聯(lián)是最早將螺紋管應(yīng)用于凝汽器的國家，歐、美、日等緊隨其后，也將螺紋管作為強(qiáng)化換熱管應(yīng)用于凝汽器，我國于20世紀(jì)90年代開始在電廠凝汽器中使用螺紋管橫紋管的研究
自從1974年前蘇聯(lián)莫斯科航空學(xué)院研究推出橫紋管后，橫紋管以其高效的換熱性能得到了廣泛關(guān)注。橫紋管的結(jié)構(gòu)如圖2所示，是螺紋管螺紋升角為90時的極限形式。不同學(xué)者相繼采用不同方法對其傳熱及流阻等性能進(jìn)行研究，取得了大量的研究成果。
陸應(yīng)生等對橫紋管的強(qiáng)化傳熱機(jī)理進(jìn)行了研究。對于管內(nèi)單相流體換熱，利用氫氣泡示蹤實(shí)驗(yàn)研究橫紋管內(nèi)流體流動狀態(tài)對傳熱性能的影響。研究發(fā)現(xiàn)，橫紋管內(nèi)不存在像螺紋管內(nèi)那樣的螺旋流，只有軸向渦流和徑向脈動；這些軸向渦流和徑向脈動可以極大地促進(jìn)邊界層的傳熱；橫紋管強(qiáng)化管內(nèi)單相流體換熱的機(jī)理是增加了管內(nèi)流體的湍流度，使流體在較低雷諾數(shù)條件下實(shí)現(xiàn)湍流。對于管外凝結(jié)換熱，橫向溝槽的存在，使凝結(jié)液表面產(chǎn)生槽頂至槽谷的壓力梯度，在壓力梯度的作用下凝結(jié)液被壓向槽谷，冷卻管外表面的平均液膜厚度減薄。此外，如圖3所示，一定量的凝結(jié)液，在橫紋管外壁沿直線下落，下落距離短，而在螺紋管上是沿著斜線下落，下落距離長，所以對于凝結(jié)液的排除，橫紋管比螺紋管更加順暢，這說明橫紋管的管外凝結(jié)換熱性能優(yōu)于螺紋管。
橫紋管傳熱與阻力性能受結(jié)構(gòu)參數(shù)如節(jié)距、槽深等的影響，研究人員對其進(jìn)行了研究。賈檀等通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：在實(shí)驗(yàn)范圍內(nèi)，節(jié)距越小、槽深越大的橫紋管管內(nèi)換熱性能越好；此外，以實(shí)驗(yàn)所得數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，利用理論與統(tǒng)計(jì)結(jié)合的方法，建立了橫紋管管內(nèi)換熱與流阻的數(shù)學(xué)模型，并利用該數(shù)學(xué)模型，求出了一定Re數(shù)條件下橫紋管的最佳結(jié)構(gòu)參數(shù)，并發(fā)現(xiàn)對于管內(nèi)單相流體換熱，在相同條件下，橫紋管的傳熱性能優(yōu)于螺紋管。張仲彬等[301通過水浴實(shí)驗(yàn)，擬合出實(shí)驗(yàn)范圍內(nèi)橫紋管的傳熱與阻力性能關(guān)聯(lián)式；此外，采用數(shù)值模擬的方法研究橫紋管強(qiáng)化傳熱機(jī)理，發(fā)現(xiàn)：橫紋管具有較好的場協(xié)同作用，管內(nèi)全場速度梯度和溫度梯度之間的夾角較光管有所減小。
徐志明等以人工硬水為工質(zhì)對橫紋管與光管的污垢性能進(jìn)行對比實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在相同管內(nèi)流速及管外水浴溫度的條件下，橫紋管的漸進(jìn)污垢熱阻約為光管的0.83倍，說明橫紋管具有良好的抗垢性能。
橫紋管的加工成形過程與螺紋管類似，是在光管表面滾軋凹槽而得到，因而橫紋管的槽底處存在應(yīng)力集中的問題。劉吉普等12-31 對橫紋管的力學(xué)性能進(jìn)行研究后，認(rèn)為橫紋管疲勞強(qiáng)度高，可靠性和壽命能滿足工藝要求，在常規(guī)中低壓換熱器中可以安全使用。
目前，橫紋管在石油煉制和石油化工領(lǐng)域應(yīng)用比較廣泛，但在電廠凝汽器中應(yīng)用得不多，被報(bào)道的僅有廣東南海市里水造廠的自備電廠采用過橫紋管，但是橫紋管在凝汽器中也具有一定的應(yīng)用前景。
多向擾流強(qiáng)化換熱管的研究
2003年，國內(nèi)出現(xiàn)了一種新型強(qiáng)化換熱管，即多向擾流強(qiáng)化換熱管。多向擾流強(qiáng)化換熱管是在光管表面沿管體方向軋制順時針和逆時針旋轉(zhuǎn)的若干條平行螺紋而得，其管壁形成網(wǎng)狀螺紋結(jié)構(gòu)，如圖4所示。
多向擾流強(qiáng)化換熱管管外具有網(wǎng)狀凹槽，管內(nèi)具有網(wǎng)狀凸肋，類似于板式換熱器內(nèi)波紋板的三維強(qiáng)化換熱結(jié)構(gòu)，傳熱性能比光管提高很多。普通的螺紋管其螺紋為單向的，單向螺紋管及橫紋管對管內(nèi)流動的擾動作用僅是同一個方向的，而多向擾流強(qiáng)化換熱管對管內(nèi)流體的擾動既有切線方向的，也有法線方向的，因此多向擾流強(qiáng)化換熱管管內(nèi)換熱系數(shù)會大幅提高。對于普通螺紋管，為了強(qiáng)化換熱，通常采用較深的螺紋及較密的節(jié)距，因此加工應(yīng)力大，而多向擾流強(qiáng)化換熱管槽深小，不會留有太大的加工應(yīng)力，因而不會造成應(yīng)力腐蝕。但是，目前對多向擾流強(qiáng)化換熱管傳熱性能的認(rèn)識只是定性的，亟需實(shí)驗(yàn)對其傳熱性能進(jìn)行驗(yàn)證。
多向擾流強(qiáng)化換熱管管壁的網(wǎng)狀螺紋結(jié)構(gòu)，相當(dāng)于工字鋼的筋板，加強(qiáng)了管子的軸向和徑向剛度，使同樣壁厚的管子具有更高的抗振性能。表1為多向擾流強(qiáng)化換熱管與其他管型
在相同條件下的振動對比實(shí)驗(yàn)結(jié)果。多向擾流強(qiáng)化換熱管管壁的網(wǎng)狀螺紋結(jié)構(gòu)還能充分利用水流的沖蝕作用，使管內(nèi)壁附著的污垢呈鱗片狀離散分布，形成眾多污垢沖蝕點(diǎn)，在熱脹差和水流的作用下，污垢容易自行脫落。此外，由于不銹鋼管具有良好的抗腐蝕性，因此多向擾流強(qiáng)化換熱管應(yīng)用于電廠凝汽器具有“一高、三抗"的特點(diǎn)，即傳熱系數(shù)高、抗腐蝕、抗結(jié)垢、抗振。
我國內(nèi)陸地區(qū)的一些電廠凝汽器采用銅合金管作為冷卻管，但是傳統(tǒng)的銅合金管由于耐腐蝕性較差，常因腐蝕問題而導(dǎo)致泄漏、堵管，或者因冷卻管表面結(jié)垢而影響機(jī)組熱效率和可靠性，甚至?xí){機(jī)組的安全運(yùn)行。針對這一問題，一些電廠提出了用不銹鋼管替換銅管的改造方案，但是不銹鋼管壁厚一般較銅管薄，改造后冷卻水流速的變化，使循環(huán)水泵的工作點(diǎn)發(fā)生偏移。而不銹鋼多向擾流強(qiáng)化換熱管的出現(xiàn)，使得泵功率改造成為了可能，通過對不銹鋼多向擾流強(qiáng)化換熱管節(jié)距、槽深等結(jié)構(gòu)參數(shù)的優(yōu)化調(diào)整，可以保證換管前后冷卻水的流動阻力一致，因此不需要更換循環(huán)水泵。目前，不銹鋼多向擾流強(qiáng)化換熱管已應(yīng)用于國內(nèi)一些電廠凝汽器的改造項(xiàng)目，表2為具體應(yīng)用情況。
結(jié)語
在凝汽式汽輪發(fā)電機(jī)組的熱力循環(huán)中，凝汽器起著冷源的作用，其工作性能的好壞對汽輪發(fā)電機(jī)組的熱效率和可靠性有重要影響。冷卻管是凝汽器的重要部件，承擔(dān)著凝汽器的全部熱交換任務(wù)，冷卻管選材首先應(yīng)考慮其傳熱性能，但是也不能忽略冷卻管的可靠性對機(jī)組安全運(yùn)行的影響。長期以來，螺紋管是電廠凝汽器應(yīng)用的主要強(qiáng)化換熱管型，但是螺紋管的應(yīng)力腐蝕問題及抗振性能低的問題威脅著發(fā)電機(jī)組的安全運(yùn)行。不銹鋼多向擾流強(qiáng)化換熱管的出現(xiàn)可以很好地解決螺紋管應(yīng)力集中及抗振性能降低的問題，此外不銹鋼多向擾流強(qiáng)化換熱管還具有傳熱性能好、抗腐蝕、抗結(jié)垢等優(yōu)點(diǎn)，因而在電廠凝汽器中具有廣闊的應(yīng)用前景。目前，對于不銹鋼多向擾流強(qiáng)化換熱管傳熱性能的研究還不成熟，因此當(dāng)前工作的重點(diǎn)是通過實(shí)驗(yàn)研究不銹鋼多向擾流強(qiáng)化換熱管的傳熱性能，以期為工程實(shí)際應(yīng)用依據(jù)提供重要參考。
