1. 研究目的与意义（文献综述包含参考文献）

文 献 综 述

1. 课题背景

　 随着工业的发展，各种型式的换热器日益增多。为有效利用能源，节约原材料，行业里对换热器采用强化传热技术。螺旋槽管以其优良的双面强化换热特性，良好的机械加工性能，不易结垢的特性[1]，及更能强化管内单相流体传热[2]的特点正日益被推广和应用。

另一方面，有机油类导热油，以其独特的优异性能，被广泛应用于石油、化工纺织、合成纤维、建材、食品加工等众多领域。近几十年来，我国导热油工业从生产数量到生产品种以及应用领域都有很大的发展[3]。导热油与水相比，具有沸点高、蒸汽压力低和凝结点低的特点，因此，导热油系统与蒸汽冷却水系统相比，还具有能源利用率高、操作费用低、运行维护简单、安全可靠、可同时满足系统内多种用户不同的加热及冷却需求等优点。导热油主要用于高温加热及低温冷却工艺，在现代工业中具有广泛的用途， 导热油对工业加热及冷却技术进步起着至关重要的作用[4]。

由上文可知，对螺旋槽管与导热油的研究具有相当重要的经济与时代意义，本论文即对基于螺旋槽管的导热油冷却器的设计，展开研究，因此我们分别从螺旋槽管及导热油着手。　

2. 螺旋槽管和基本特性和相关研究

螺旋槽管是将光滑管在车床上轧制而成。主要结构参数有槽深e、螺距p和螺旋角B，螺旋槽管可分为单头和多头[5]。螺旋管管内流动在层流时和光管没有什么区别，而在湍流时，由于突肋的周期干扰，使得螺旋管的湍流度大于光管的，尤其在管壁附近[6]。对其换热机理学者们比较一致的看法是：一方面由于螺旋槽的引导作用加强了径向扰动；另一方面，发生了绕流脱体，形成回流区[7]。

国内外的对螺旋槽管的研究主要是从以下几个角度，螺旋槽管管内对流换热研究，螺旋槽管外凝结换热研究，螺旋槽管管内流动阻力研究，单头螺旋槽管和多头螺旋槽管传热与流阻性能比较研究，螺旋槽管应力分析研究，本论文在这里力图对螺旋槽管的研究及其工程应用情况作一点小小总结。

2.1 螺旋槽管管内对流换热

日本学者吉富英明对单头螺旋管进行了大量的试验研究[8] ，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管进行了大量的研究。不少研究者认为，螺旋槽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。华南理工大学对螺旋槽管内流体的流态、强化传热机理及管参数的优化选择方法进行了深入研究[9]。美国Argonne国家实验室和GA技术公司设计、制造的螺旋槽管换热器，其传热性能比光管提高2～4倍[10]。重庆大学经试验研究及理论推导，得出了单头螺旋槽管的半经验公式[11]。[29]文献对管内传热实验做了详细的介绍并获得了成熟的实验关联式。北京理工大学对螺旋槽管进行了十余年的研究，研究开发出异形凹槽螺旋槽管，亦称旋流管[12]。这种强化管不同于上述的传统螺旋槽管。它采用半流线的勺形或”W”形等多种形面，通过对水~水、水~油、油~油换热大量的实验研究，证明与其它异形管相比，具有强化传热效果显著、结构简单、加工方便等优点。

　　此外，通过结构参数的最佳匹配，具有较好的传热及流体力学综合性能。1993年， 铁道部大连机车车辆厂，将三头螺旋槽管应用于国家重点项目重载牵引车东风10的机油热交换器上，使原换热器体积缩小，重量减轻32%以上。从1994 年开始，北京理工大学在多年实验研究的基础上，对螺旋槽管管道内的紊流流动和换热进行数值模拟研究，取得了可喜成果。

2.2　螺旋槽管外凝结换热

螺旋槽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[13,14]。Wither研究表明，当冷却水侧的阻力相同时，将螺旋槽管用于冷凝器比用光管节省材料30%～50%，管外的凝结换热系数增大35%～50%。日本学者茂木岩夫等用水蒸汽做单头螺旋槽管的水平管外凝结换热实验，发现效果最佳的管子(d=19mm，p=019mm)的凝结换热系数可比光管大213倍。东南大学在蒸汽凝结条件下进行了水平螺旋槽管的强化换热研究[15]，用冷态做阻力实验，进行了数据关联，得到了螺旋槽管的换热计算公式，对不同材质(铜、碳钢、不锈钢)的水平螺旋槽管强化传热性能进行了比较，并用不锈钢螺旋槽管加热器取代某电厂的原有光滑铜管低压加热器，这样可以实现电厂锅炉无铜化，减少电化腐蚀。上海交通大学通过研究发现螺旋槽管换热器比光管换热器具有更好的热经济性。

2.3　螺旋槽管管内流动阻力

由于螺旋槽管内凸肋的作用，管内流体的湍流度增加，造成流体的沿程阻力增大。不同槽深和节距的管型在雷诺数相同时其传热系数增加的幅度不同。从螺旋槽管和光滑管摩擦系数计算公式比较可以看出，在相同Re条件下，螺旋槽管摩擦系数明显高于光滑管的摩擦系数。这表明管内换热的强化是以阻力的增加为代价的。对于不同节距和槽深的螺旋槽管对流体产生的影响有较大的差异。当节距p一定，槽深e增大或e一定，p减小时阻力损失增大。

在同一槽深时，随着螺距增加，努塞尔数降低；在同一螺距时，槽深越大，换热性能越好。这是因为螺旋槽的存在，使每个螺距间流体的边界层不能稳定充分的发展，从而可以强化流体和壁面间的换热。此外，在流体流过螺旋型凸肋时会产生部分流动脱离区，产生不同强度和大小的漩涡因而增强了靠近壁面流体的湍动程度，从而提高了对流换热系数。当螺距增加时，槽管内相邻两螺旋槽之间的区域增大，前一螺旋槽的扰动作用已经减弱，后一螺旋槽的扰动作用还没开始，这样随着螺距的增加，螺旋槽对对流强化的程度逐渐减弱。而随着槽深的增加，螺旋槽的扰动作用增加，产生强度和体积更大的漩涡改变了管内流体的流场分布，增强了靠近壁面流体的湍动程度，边界层的扰动和削弱得到强化，从而提高了换热性能。

在同一槽深时，随着螺距增加，阻力系数减小；同一螺距时，槽深越大，阻力系数越大。这是因为，在流过螺旋型凸肋时，会在两肋之间产生一个大的漩涡以及两个小角区漩涡，大漩涡是一个三元结构，它做不停抛出流体和从主流体中补充流体的循环性的运动，构成了凸起附近流体和主流体之间的能量和质量交换，而且在大漩涡的上界面会出现湍流切应力和速度梯度的最大值。当螺距增加时，相邻螺旋槽间的区域增大，螺旋槽对近壁面流体的扰动作用减弱，从而减小了阻力系数；而当槽深增加时，沟槽不仅增加了流体的扰动，而且会在沟槽附近出现回流甚至漩涡，使流体能量出现损失，增大了阻力系数。[17]中也对螺旋槽管和螺距，槽深的关系做了详细的数值模拟。

2.4　单头螺旋槽管和多头螺旋槽管传热与流阻性能比较

对于单头螺旋槽管和多头螺旋槽管的传热与流阻性能，国外曾进行过一些比较试验[13,14]，其结果见下表:

表1. 单头螺旋槽管和多头螺旋槽管的传热与流阻性能

螺纹头数	螺距 mm	槽深 mm	螺旋槽管与光管的换热系数比	螺旋槽管与光管的阻力系数比
3	24	0.8	1.67~1.68	3.24~3.26
1	24	0.8	1.53~1.65	2.01~2.09
3	24	0.4	1.42~1.44	2.65~2.68
1	24	0.4	1.43~1.46	1.58~1.66

由表可见，当单头螺旋槽管与三头螺旋槽管的对流换热系数相近时，后者的阻力系数远高于前者。这是由于在相同的Re数时，单头螺旋槽管的升角较小，其主要作用是使边界层流体旋转，减薄边界层，强化传热过程。而多头螺旋槽管的升角较大，能使边界层流体与主流流体一起产生强烈旋转，而主流流体的旋转对强化传热的作用不大，却增加了很大的流动阻力。多头螺旋槽管一般多用于粘度较大的流体之间的换热，如油油换热，以增加流体间的扰动[16,17]。

2.5　螺旋槽管应力分析研究

哈尔滨工业大学采用3种模型，对两种波形、4种规格的螺旋槽管借助SAP52H通用程序进行应力分析计算[18,31]，比较了各种模型的计算结果。推导了用修正的平面应变模型计算螺旋槽管外表面槽底部位最大主应力的计算公式，并将计算结果和实测结果进行了比较，表明该公式的计算结果和实测值吻合很好，修正方法是可行的。从而得到了一个方便、实用的预测螺旋槽管最大应力的公式。经计算螺旋槽管外表面槽底部应力值最大，其值大约是光管平均应力的4～5倍。随槽深增加，应力集中愈严重。计算结果表明， 槽底部位计算应力用于设计时是偏于安全的。此外，哈尔滨工业大学对螺旋槽管进行了拉伸、弯曲及疲劳强度试验[19,29]，试验及研究分析结果表明，螺旋槽管用于冷凝器的弯曲疲劳强度足够。

2.6　螺旋槽管结垢问题

文献[17]介绍了美国田纳西流域管理局对9台螺旋槽管冷凝器河水结垢热阻方面的研究资料，认为螺旋槽管污垢热阻速率约为光管的1～2倍，运行1年之后，螺旋槽管的污垢热阻没有超过TEMA标准允许的河水最小污垢热阻值。华南理工大学用常见污垢成分CaCO3配置的饱和溶液及恒加热流率法，研究了螺旋槽管和光管在相同工况下的抗垢性能与管参数和操作条件的关系[20]。研究发现，管参数和操作条件对结垢过程有不同的影响，而流体流速和传热表面温度对结垢过程的影响较大。螺旋槽管阻垢性能弱于光管。不适宜用在很脏的环境下[21,22]。

专家们总结了冷水硬度、温度及螺距、槽深对螺旋槽管污垢热阻的影响规律:随着冷水初始溶液硬度增加，螺旋槽管的渐近污垢热阻增大，但初始溶液硬度增加到一定程度后，渐近污垢热阻反而下降； 随着冷水入口温度的升高，螺旋槽管的渐近污垢热阻增大；当螺距相同时，随着槽深的增大，螺旋槽管的渐近污垢热阻随之降低；当槽深相同时，随着螺距的增大，螺旋槽管的渐近污垢热阻呈现递增趋势；小螺距大槽深的螺旋槽管在各种实验条件下都具有最低的污垢热阻[23]。

2.7 螺旋槽管性能评价标准

强化换热最早的评价标准是，此时研究的重点为表面传热系数的提高。而后又发现摩擦阻力系数会随表面传热系数的提升而快速增加，于是提出作为评价强化换热的准则，并以其值是否大于1作为强化换热效果好坏的评价标准，显然这是不合适的。对于强化换热热管，在低雷诺数下可以获得较高的换热系数，仍具有较好强化换热效果。故Webb基于前人的研究提出了一套比较完整的性能评价标准(Performance Evaluation Criteria，PEC)。强化换热的目的分为三种：增大热负荷、降低功率消耗及减少换热面积。Webb的三个评价标准的叙述如下：相同换热面积和泵功率下，强化元件与光管的换热量之比；相同换热量和泵功率下，强化元件与光管的换热面积之比；相同换热量和换热面积下，强化元件与光管的泵功率之比。

3. 导热油的特性及相关研究

导热油在国外已有60多年的发展，经过一些时期，从90年代开始，国内许多学者也认识到导热油的优点，加之工业应用技术也日渐成熟，使得导热油的应用领域有了较大的扩展。

　　导热油的基础油组分是环烷烃、异构烷烃、芳香烃。按照国际ISO的分类标准主要分为安全性高、毒性小的矿油型，和热稳定性好，积炭倾向小的合成型[24]。其基本的特性有热稳定性、流动性和传热性（运动粘度、密度、导热系数、比热容和表面传热系数）热稳定性是导热油区别于其他油品的重要使用性能，反应热载体发生劣化倾向。热稳定性评定标准为SH/T0680－1999。导热系数和比热容越大，传热性越好，流量密度越大，粘度越小，传热性越好[25]。

　 让我们回头看看最主要的热稳定性，热稳定性是指有机热载体在高温下抵抗化学分解的能力，表征了其化学成分在某一温度长期作用下的稳定程度[26]。有机热载体的热稳定性试验是用模拟蒸馏的方法，通过对样品进行气相色谱分析，然后用计算机与未经加热的新油样品数据进行比较，即可确定被测样品在试验温度应力作用下产生的变质率（裂解率），专家建议使用导热油或换油时，将导热油的热稳定性作为选型的第一要素，并综合考量和判断其适用性、安全性、节能性、年添加量、再生性、使用寿命、性价比等，要货比三家的去选择[27]。

导热油的质量指标主要有酸值残炭、粘度、闪点等。导热油在使用过程中， 理化指标是持续变化的， 在高温运行中变化速率越慢， 即导热油的寿命越长。分析导热油在使用过程中的理化指标变化情况， 是延长导热油寿命的理论依据，导热油是在加热设备中运行，导热设备好坏，安装是否合理，直接影响导热油的寿命。目前我国大部分企业热传导系统自动化程度不高，人工操作，从而影响对系统参数的控制，也必将影响导热油的寿命。导热油在高温运行使用中会产生一些杂质，这些杂质会在管壁上沉积， 形成焦质，焦层渐增将明显降低传热效果，只能增加油温以达原导热效果，运行温度高导热油的寿命将缩短[28]。

结炭一直是导热油值得探讨的难题，导热油在高温中运行必定要结炭，结炭至10mm 厚时会严重影响热油炉的传热效果，轻者能耗上升，重者会导致炉管爆裂引起火灾，造成人员伤亡。目前国内主要采用水剂清洗剂清洗热油炉中结炭。而其他的问题例如涉及导热油的四大报废指标残炭、酸值、闪点、粘度时，一般需要使用到久星公司研发的导热油修复剂。根据久星公司的研究及实践经验获得如下的导热油修复表：

表2. 导热油修复表

项目	残碳W/%	酸值mgKOH/g	闪点	粘度
导热油修复前数据	Ⅰ	0.75	0.25	原7.5%	原10%
Ⅱ	1.5	0.5	原15%	原20%
修复剂型号	Y~XC	Y~XS	Y~XSZ	Y~XNJ
修复剂加入量	3~8%	3~8%	10~30%	10~30%

久星公司自主研发导热油修复剂，可定量对导热油酸值、残炭、粘度和闪点进行修复至接近新油值，达到延长导热油使用寿命的目的[29]。还有导热油增寿剂则是用以改变导热油运行中的变化速率来延长导热油寿命[30]。

上图①一般导热油使用寿命曲线。②加导热油增寿剂后使用寿命曲线。③导热油理化指标修复后使用寿命曲线。④导热油修复后加导热油增寿剂的使用寿命曲线。从中可看出导热油修复后,加入导热油增寿剂,其导热油使用寿命可明显延长。

但由于导热油结焦结炭往往发生在管路底部和死角等处，迄今为止还没有发现可将其彻底清除的清洗方法。有些导热油厂和清洗公司对外宣称可在线清洗或添加导热油修复剂，因为导热油的裂化分解过程是十分复杂和不可逆的，从实际效果看，收效微乎其微。更有甚者，停车清洗管线且不说清洗效果如何，单是停产损失﹑设备维护费用﹑清洗费用﹑废液处理环保费用等已经让用户叫苦不迭了，加之当前中国各行各业产品同质化严重，市场竞争激烈，电力和原料供应紧张形势下，许多行业早已进入薄利时期，优胜劣汰是大势所趋，可谓雪上加霜，不堪重负[31]。

导热油加热技术是国家重点科技推广的新型节能技术，它具有提高生产效率、降低生产成本、节约能源、保护环境等可观的综合效应。在未来的发展中，导热油热媒技术将更广泛地运用到各领域。对导热油用户而言，其一是要了解导热油的特性，选择适合本单位的导热油；掌握正确的使用方法，有效延缓导热油使用寿命；了解导热油产生劣化的原因，采取应对措施；其二要建立严格的责任管理制度，严格按操作规程进行生产。只有具备了这两点，才能防止资源浪费和设备损坏，使生产活动有序进行。

4. 螺旋槽管对导热油的强化传热和结焦预防研究

4.1 强化传热

　前文说过螺旋槽管是将光滑管在车床上轧制而成。对于导热油来说，由于螺旋形凹槽和凸起的存在，使炉管内的导热油的边界层产生扰动，从而减小热阻，增大传热量， 并且可以预防导热油结焦，延长导热油寿命，同时达到了强化传热和预防结焦的作用。

导热油在层流状态时，大致如抛物线形分布，中间的流速高，靠管壁边界的流速很低。这样由于存在附面层，故传热效果较差。导热油在紊流状态时，其速度分布可分为两部分，在边界层中，速度分布和层流的速度分布一样。但由于边界层很薄，因此，可以认为在边界层内流速是按直线规律分布的。在紊流区域，由于导热油质点的横向掺混， 在导热油各邻层之间发生连续移动的质点交替，其结果是平均流速沿导热油流型断面平均化。这时导热油流型断面上流速差异比层流时小。流速分布当雷诺数Re较小时为指数曲线，当Re数较大时为对数曲线。

　 螺旋槽管是用车床轧制加工的，成形之后，炉管内速度场分布就发生了变化，导热油在螺纹管内除沿轴向的流动外，还存在着沿螺纹管内槽方向的螺旋流动，这样就增大了导热油边界层的速度，从而提高了换热系数。一般情况表明，螺旋槽管比光管的努塞尔数Nu要高一倍以上，这样螺纹管就比光管的传热量至少可提高一倍，从而达到了强化传热的目的。

4.2 预防结焦

　　当雷诺数Re提高，变为紊流之后，速度分布发生变化，但炉管内导热油的边界速度并未增大。这样，导热油在炉管内湍流流动时，由于粘性的存在，在紧靠炉管内壁面总有一层热阻很大的边界层从而造成导热油结焦，残炭积于炉管内壁，影响传热，并可进一步产生局部过热，形成恶性循环，使导热油寿命减小。为了预防导热油的结焦，应该从炉管结构上来调整和改进。事实上，由于管内的螺旋槽对导热油的影响，使导热油在作螺旋运动的同时，又对炉管内壁起到一定的清扫作用。而螺旋槽管最关键的作用是由于螺旋形凹槽和凸起的存在，使炉管内导热油的边界层产生扰动，并使边界层的厚度减薄，从而可以降低导热油的结焦速度，延长导热油的寿命。对于螺旋槽管而言，当螺旋槽较浅时，附加湍流主要在炉管内壁面附近形成，导热油脉动也主要在炉管内壁面附近传播，这样对边界层搅动有利，而对主流的影响又较小。若螺纹节距也较小，则前一个槽对边界层的搅动作用削弱时，后一个槽的存在又使边界层产生新的搅动。这样，一方面可对边界层不断产生扰动作用，另一方面又可使循环油泵动力消耗的增量减小。

4.　结束语

随着对螺旋槽管性能研究的深入，特别是对换热、流阻、强度、结垢性能的研究结果，奠定了其在工业生产中的应用基础。作为换热器主要传热元件的传热管，采用螺旋槽管来替代普通光滑管，既可节约金属管材和降低设备费用，又能显著地提高热能利用效率。总之，由于螺旋槽管具有良好的综合性能，故在工业生产中具有更为广阔的应用前景。

导热油作为一种优良的传热介质，替代传统加热方式是工业技术发展的必然趋势。国内矿油型热传导油发展较快，水平也与国外接近，但技术含量较高的合成型热传导液还与国外有一定差距。我们的科研单位正在投入研究出更安全、更节能、更环保、更利于工业生产的优质的合成导热油。

本论文到此初步探讨了螺旋槽管与导热油，为本课题下一步的设计打下基础。

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2. 研究的基本内容、问题解决措施及方案

本课题的研究手段需要根据在前人研究的基础上对单头螺旋槽管的传热和阻力特性实验关联式分析得到0.03

,2x10⁴⁴范围内与实验曲线拟合较好的传热和阻力特性实验关联式。在相同的内径,换热面积、平均传热温差、压力损失、质量流量条件下,以单头螺旋槽管与光管换热量比值为最优化目标函数,利用复合形法在研究范围内对其进行了数学优化,得到了研究范围内使目标函数达到最优值时单头螺旋槽管的最佳结构参数。

例如实体的计算可以根据假定的的换热量选取合适的导热油，选取适当的流量。确定需要的管径，确定是单头还是多头。螺旋角，根据内径和导程确定，选用合理的导程与内径比，肋高与内径比，管外凝结放热系数的计算实在nusselt公式的基础上。采用复合形法对数学模型导程与肋高比在数据基础上的基础上建立数学模型，选取合适的公式，进行寻优,并将计算结果与试验结果进行比较,在综合考虑传热和摩擦阻力因素后, 找出强化传热的螺旋槽管的结构参数,为了最大限度地发挥螺旋槽管的效能,在设计制造应用螺旋槽管的换热器时应尽力保证e/d_i而p/e的值只要在8～11范围内即可。

导热油的选取，在选择时应选择比加热器出口处的主流体平均温度至少高20的油品。严格按照质量指标的规定，考察产品的蒸发性和安全性，闪点符合标准指标要求，初馏点不低于其最高使用温度，镏程比较窄，自燃点比较高。要参考设备使用地的环境温度情况，选择适宜的低温性能，导热油应该具有较低的粘度，较大的密度，较高的比热容和导热系数。选用正规企业生产的产品，在满足技术条件的情况下考虑价格因素

。