綜述了螺紋管、橫紋管、多向擾流強化換熱管的研究及應用現(xiàn)狀，重點討論這三種強化換熱管傳熱與阻力性能、結垢性能、力學性能等，指出不銹鋼多向擾流強化換熱管具有傳熱系數(shù)高、抗腐蝕、抗結垢、抗振的特點，在凝汽器中具有廣闊的應用前景。

為了提高電廠能源利用效率，我國發(fā)電機組逐步步入大容量、高參數(shù)的發(fā)展階段，優(yōu)化設計高效率、大功率燃煤發(fā)電機組也是實現(xiàn)我國“十二五”期間節(jié)能減排目標的重要舉措。隨著汽輪機單機功率的不斷增大，凝汽器逐漸向大型化方向發(fā)展。如果在凝汽器設計階段應用強化傳熱措施，則可以減小凝汽器的尺寸，降低造價；如果在凝汽器運行階段采用強化傳熱措施，則可以提高機組真空度，降低運行費用。因此，凝汽器采用強化傳熱技術，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化換熱管取代傳統(tǒng)光管的構想后，歷經(jīng)多年的發(fā)展，該技術已成為當前研究及應用較多的電廠凝汽器強化傳熱技術。凝汽器管內(nèi)、外換熱系數(shù)為同一個數(shù)量級，因此最好采用雙側強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化換熱管具有雙側強化換熱能力，且均有在電廠凝汽器中應用的報道。本文中總結國內(nèi)外的研究成果，介紹上述三種強化換熱管的性能，并討論不同管型之間的差異，以期為強化換熱管的發(fā)展和工程實際應用提供參考。

螺紋管的研究

自從1966年美國的LAWSON等發(fā)表了第一篇關于螺紋管的研究報告以來，螺紋管逐漸受到人們的關注。螺紋管是在普通光管外壁滾軋螺紋而得到的一種強化換熱管，其管外為螺旋形凹槽，管內(nèi)為螺旋形凸起，結構如圖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)外螺紋管強化傳熱機理的研究成果進行了總結。螺紋管強化管內(nèi)單相流體換熱的機理是：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。螺紋管強化管外凝結換熱的機理是：螺紋槽成為排泄凝結液的通道，使螺紋槽上部的凝結液膜減薄，而在凝結液表面張力的作用下，液膜厚度進一步減薄，管外換熱系數(shù)提高。

螺紋頭數(shù)、節(jié)距（p）、槽深（h）等結構參數(shù)對螺紋管傳熱與阻力性能有重要影響，國內(nèi)外學者對其進行了大量的研究。譚盈科等通過對單頭及多頭螺紋管的傳熱與阻力性能實驗，得出的結論是：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。對于工程應用，單頭螺紋管的應用更加廣泛。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）通過實驗得到了螺紋管管內(nèi)換熱系數(shù)與阻力系數(shù)計算公式并指出不同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條件下的傳熱與阻力性能進行實驗研究，得到了傳熱與阻力性能關聯(lián)式，并指出：當節(jié)距一定、槽深越大或槽深一定、節(jié)距越小時，螺紋管強化傳熱效果越顯著。

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)律與文獻的實驗結果相同。

國內(nèi)外學者對螺紋管的污垢特性也進行了比較多的研究，但是由于實驗條件不同，因此得出的結論不一致，有的甚至相反。RABAS等對螺紋管的污垢特性進行研究，通過螺紋管與光管在凝汽器中的運行實驗，得出了螺紋管的污垢速率大于光管的結論。徐志明等通過實驗得出了與之相同的結論。帥志明等通過實驗，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。錢頌文等通過實驗，也得出了螺紋管的抗垢性能優(yōu)于光管的結論。

PANCHAL等認為螺紋管的污垢特性與結構參數(shù)無關，但是李蔚等通過實驗，證明螺紋管的結構參數(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，在螺紋槽處存在應力集中的問題，為凝汽器冷卻管應力腐蝕的出現(xiàn)埋下了隱患。張勇等通過理論分析，得到螺紋槽底部的應力值是光管平均值的4-5倍，而且槽深越大，應力集中的問題越嚴重。

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，是國內(nèi)外電廠凝汽器中應用的主要強化換熱管型，前蘇聯(lián)是最早將螺紋管應用于凝汽器的國家，歐、美、日等緊隨其后，也將螺紋管作為強化換熱管應用于凝汽器，我國于20世紀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注。橫紋管的結構如圖2所示，是螺紋管螺紋升角為90時的極限形式。不同學者相繼采用不同方法對其傳熱及流阻等性能進行研究，取得了大量的研究成果。

陸應生等對橫紋管的強化傳熱機理進行了研究。對于管內(nèi)單相流體換熱，利用氫氣泡示蹤實驗研究橫紋管內(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邊界層的傳熱；橫紋管強化管內(nèi)單相流體換熱的機理是增加了管內(nèi)流體的湍流度，使流體在較低雷諾數(shù)條件下實現(xiàn)湍流。對于管外凝結換熱，橫向溝槽的存在，使凝結液表面產(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換熱性能優(yōu)于螺紋管。

橫紋管傳熱與阻力性能受結構參數(shù)如節(jié)距、槽深等的影響，研究人員對其進行了研究。賈檀等通過實驗發(fā)現(xiàn)：在實驗范圍內(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，以實驗所得數(shù)據(jù)為基礎，利用理論與統(tǒng)計結合的方法，建立了橫紋管管內(nèi)換熱與流阻的數(shù)學模型，并利用該數(shù)學模型，求出了一定Re數(shù)條件下橫紋管的最佳結構參數(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通過水浴實驗，擬合出實驗范圍內(nèi)橫紋管的傳熱與阻力性能關聯(lián)式；此外，采用數(shù)值模擬的方法研究橫紋管強化傳熱機理，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行對比實驗。實驗結果表明，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力集中的問題。劉吉普等12-31 對橫紋管的力學性能進行研究后，認為橫紋管疲勞強度高，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域應用比較廣泛，但在電廠凝汽器中應用得不多，被報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用前景。

多向擾流強化換熱管的研究

2003年，國內(nèi)出現(xiàn)了一種新型強化換熱管，即多向擾流強化換熱管。多向擾流強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的若干條平行螺紋而得，其管壁形成網(wǎng)狀螺紋結構，如圖4所示。

多向擾流強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)波紋板的三維強化換熱結構，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，為了強化換熱，通常采用較深的螺紋及較密的節(jié)距，因此加工應力大，而多向擾流強化換熱管槽深小，不會留有太大的加工應力，因而不會造成應力腐蝕。但是，目前對多向擾流強化換熱管傳熱性能的認識只是定性的，亟需實驗對其傳熱性能進行驗證。

多向擾流強化換熱管管壁的網(wǎng)狀螺紋結構，相當于工字鋼的筋板，加強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為多向擾流強化換熱管與其他管型

在相同條件下的振動對比實驗結果。多向擾流強化換熱管管壁的網(wǎng)狀螺紋結構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，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，因此多向擾流強化換熱管應用于電廠凝汽器具有“一高、三抗"的特點，即傳熱系數(shù)高、抗腐蝕、抗結垢、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，常因腐蝕問題而導致泄漏、堵管，或者因冷卻管表面結垢而影響機組熱效率和可靠性，甚至會威脅機組的安全運行。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)水泵的工作點發(fā)生偏移。而不銹鋼多向擾流強化換熱管的出現(xiàn)，使得泵功率改造成為了可能，通過對不銹鋼多向擾流強化換熱管節(jié)距、槽深等結構參數(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，不銹鋼多向擾流強化換熱管已應用于國內(nèi)一些電廠凝汽器的改造項目，表2為具體應用情況。

結語

在凝汽式汽輪發(fā)電機組的熱力循環(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，承擔著凝汽器的全部熱交換任務，冷卻管選材首先應考慮其傳熱性能，但是也不能忽略冷卻管的可靠性對機組安全運行的影響。長期以來，螺紋管是電廠凝汽器應用的主要強化換熱管型，但是螺紋管的應力腐蝕問題及抗振性能低的問題威脅著發(fā)電機組的安全運行。不銹鋼多向擾流強化換熱管的出現(xiàn)可以很好地解決螺紋管應力集中及抗振性能降低的問題，此外不銹鋼多向擾流強化換熱管還具有傳熱性能好、抗腐蝕、抗結垢等優(yōu)點，因而在電廠凝汽器中具有廣闊的應用前景。目前，對于不銹鋼多向擾流強化換熱管傳熱性能的研究還不成熟，因此當前工作的重點是通過實驗研究不銹鋼多向擾流強化換熱管的傳熱性能，以期為工程實際應用依據(jù)提供重要參考。