张胜中，高景山，王阳峰，王海波，徐宏

（中国石化抚顺石油化工研究院，辽宁 抚顺113001）

随着常规能源日益减少、燃料以及设备制造成本的不断升高。强化传热技术已广泛应用到化工、电力与环保等领域。强化传热技术可以分为主动、被动及混合式3类。主动式强化传热技术需要外界提供不同形式的能量，如电场、声场、机械振动及喷射冲击等；被动式强化传热技术则不需要外界提供能量，如换热表面涂层、换热表面扩增、扭曲管以及管内扰流元件强化传热技术等［1］；混合式综合了以上两种方法，但由于实现工业应用难度大而研究较少。其中被动式强化传热技术具有使换热设备紧凑化、降低设备投资、减少用地等特点，从而得到最为广泛的应用。

管内扰流元件作为被动式强化传热技术中最经济、简易的一种，由于应用时能有效提高传热效率、不增加用地、安装检修方便的特点，在生产装置中的管壳式换热设备面临扩能改造、延缓结垢问题时得到广泛应用［2－4］。管内流体受到扰流元件的阻碍、分流而产生二次流，增强了径向旋流，减小了径向温度场变化梯度，最终导致管内膜传热系数增大、污垢热阻减小，从而达到强化传热的效果。本文综述了管内扰流元件的研究进展，总结了管内扰流元件的计算、模拟方法以及不同类型扰流元件的适用体系，为扰流元件的工程应用提供了选型设计方法与步骤。

1 研究现状

1.1 常规扰流元件

处于层流、过渡状态的流体以及易结垢的物系，其换热效率一般较低，在系统压降容许的范围内，管内扰流技术是一种可有效提高传热效率的方式［5－6］。常 规 的 扰 流 元 件 有 弹 簧 ［spring，图1（a）］、扭 曲 带［twisted tape，图1（b）］、线 圈［wire，图1（c）］与螺旋带［helical tape，图1（d）］等。它们的结构如图1所示。

Garcia等［8］以水和丙二醇（质量比1∶1）的混合物为实验介质，发现雷诺数Re小于200时，弹簧与扭曲带两种扰流元件均没有明显的强化传热效果；Re在200～700之间时，要综合考虑扰流元件引起的压力降增加与强化传热效果，才能确定那种扰流元件更适合；Re在700～2500之间时，弹簧型扰流元件的强化传热效果要优于扭曲带。Dewan等［9］综述了弹簧与扭曲带处于不同流态的气、液流体中时产生的强化传热效果。发现当流体处于湍流状态时，热阻主要集中在很薄的管内壁边界层中，由于弹簧型扰流元件紧贴管内壁，能够有效破坏边界层，使径向温度梯度变化减弱，同时弹簧占有的管内流通面积小，引起的压力降增加小，所以弹簧型扰流元件更适合于湍流状态；当流体处于层流状态时，流体边界层较湍流时厚，扭曲带能扰动管内流体使径向流动整体增强，同时低流速不会引起较大的压力降增加，所以更适合层流状态。

Abu－Khader等［10］研究发现由于引起的压力降增加明显，在湍流状态下使用扭曲带是不经济的。同时，换热管管径越小，引起的压力降损耗增加越明显，除非应用系统能承受压力降增加带来的损耗。Bas等［11］以空气为实验介质研究发现，管内扭曲带与管壁之间的空隙越小，扭曲带的强化传热效果越好；扭曲带的扭距对强化传热效果的影响要大于其与管壁间隙的影响；同时也发现扭曲带扭距小于3时，随着Re的增大，扭曲带的强化传热效果增强，而当Re超过15000时，扭曲带的强化传热效果趋于恒定。Padhi等［12］则研究了扭曲带在气、固流化床中作为挡板时的作用，发现扭曲带可以减小床层波动与膨胀比，使床层流化状态优化，但同时也使床层压降显著增加。

Ritchie等［13］综 述 了 采 用 激 光 多 普 勒 测 速（LDV）与粒子成像测速（PIV）技术研究hiTRAN线圈的阻垢与强化传热效果，发现hiTRAN线圈增强了管内流体在管壁附近的剪切力，从而有效防止了生物与化学污垢的沉积，同时还具有强化传热、传质的效果。

Eiamsa－ard等［7］研究了Re处于2300～8800之间的空气、水换热系统，发现螺旋带引起的径向旋流使得管内气相边界层变薄，最终导致管内流体鲁塞尔数（Nu）增大1.45～1.60倍，同时，扰流元件也使得管内流体流通面积减小，导致压力降高于光管2～4倍。对于有中轴支撑和无中轴支撑的螺旋带进行研究发现，前者较后者强化传热速率高10%，同时压降也高。当同一管内插入多段螺旋带时，较有中轴支撑的螺旋带传热速率减小了15%，而压力降则减小了63%。

螺旋带在管内只能形成一个旋流轨道，而扭曲带由于分流作用可以形成两个旋流轨道。经研究与实践应用发现在Re小于4000时，螺旋带与扭曲带引起的压力降增加没有明显区别［9］，但扭曲带较螺旋带易于加工、安装检修，且具有更好的机械强度而得到更广泛的应用。常规扰流元件中，在压力降增加允许的范围内，达到相同的强化传热效果时，弹簧与扭曲带由于具有加工方便、造价低、易于安装检修等特点，而得到最为广泛的应用。

图1 典型扰流元件结构示意［7］

1.2 其他类型扰流元件及组合扰流元件

1.2.1 特殊结构的扰流元件

姬长发等［14］设计了一种管内扰流元件并研究了其强化传热效果，发现相同的泵耗下，扰流元件与波纹管有同样的强化传热效果。杨卫民等［15］研发的转子洁能芯带有中轴，可随流体流动而旋转，具有除垢、强化传热的效果，应用到发电机组冷凝器改造，能达到10%的节水量。Tijing等［16］以水为实验介质，对横截面为星型带鳍状突起［图2（a）］的扰流元件进行了研究，发现传热效率提高了12%～51%，但是由于星型扰流元件占据了大量的管内流通空间，致使管内流体流通面积下降70%以上，引起的压力降增加了286%～399%。Yakut等［17－18］研究了圆锥环扰流元件的强化传热效果、引起的压力降增加以及涡流振幅的变化，发现随着管内圆锥环的间距减小，圆锥环引起的涡流衰减程度大幅减弱，传热效率随之增强。

1.2.2 扭曲带的变形

在典型扭曲带的边沿切出不同的深度，并向扭曲轴方向弯曲形成三角齿形扭曲带［图2（b）］，在相同扭距下，较典型扭曲带强化传热效率增强了20%［19］。Murugesan等［20］在典型扭曲带的边沿切去部分，使扭曲带形成不同的V形切口，实验表明较典型扭曲带有更好的强化传热效果。在同一管内，同一扭曲带具有多个扭距、相同扭距的扭曲带在轴向有转角［21－22］（使管内流体不断分开、汇合），扭曲带上有圆孔［23］、开裂［24］［图2（c）］以及三角肋型扰流元件［25］的研究有相关研究报道。这些扰流元件均为典型扭曲带的变形，它们产生的强化传热效果、引起压力降增加以及与典型扭曲带的比较也有相应的研究报道［26－27］。总体来说，这些变形的扭曲带较典型的扭曲带有更好的强化传热效果，但是由于其对管内流体造成更多的阻碍使得压力降增加也更高。

图2 其他类型扰流元件及扰流元件的组合

1.2.3 扰流元件的组合

Promvonge等［28］研究了圆锥环与扭曲带的组合型扰流元件［图2（d）］，与单独使用扭曲带或圆锥环相比，传热效率提高了4%～10%，而引起的压力降也有明显增加。扭曲带与弹簧组合［图2（e）］研究时，发现在相同的扭距下，组合使用两种扰流元件有更好的强化传热效果［29］，同时也会使压力降增加明显。在同一管内插入两根［图2（f）］、三根扭曲带，使管内流体形成同向或反向旋流的研究也有报道［30－31］。在相同的扭矩下，组合型的扰流元件较单独使用一种扰流元件时，都有更好的强化传热效果，但由于占据了更大的管内流体流通空间，导致引起的压力降增加也更大。

以上国内外研究都属于在传统的扰流元件基础上进行了相应改变、组合，这类扰流元件较传统扰流元件均有更好的强化传热效果，但是它们制造、安装与检修更复杂，且机械强度也有所下降，同时较传统扰流元件占用了更大的管内流体流通面积，引起的压力降增加更大，使其应用范围受到限制。

2 扰流元件的性能指标

研究发现，对于易于结垢的管内物流，设计较高的压降有利用换热设备的长周期运行。在系统泵功率能够满足一定压降增加的条件下，管内扰流元件的应用可以降低管壁温度、增强径向扰流，从而实现换热设备的适应性改造（扩能、防垢）。管内扰流元件形式多样，各自都有不同的强化传热与压力降特性。很多研究者通过大量实验数据拟合得到不同扰流元件对应的强化传热系数和摩擦因数的经验公式。如Smithberg等［32］通过实验得到加扭曲带后换热管传热系数与摩擦损失的经验公式，对于普朗特数（Pr）在0.7～10之间Re在200～100000之间的体系，可以用于工程实践计算。Kumar等［33］研究了线圈型扰流元件，通过实验得到Nu、Pr、Re及范宁摩擦因数之间的关系式，并发现扰流元件强化传热经验公式与管径及线圈本身的结构特点无关。Polley等［34］总结了前人研究结果，给出了管内扰流元件的性能指标与雷诺数的关系式，如式（1）和式（2）所示。

式中，J为传热因数；f为摩擦因数；x、y、a、b均为常数，均可以通过实验数据拟合得到。以上关系式可以直观地反映扰流元件对强化传热的贡献以及引起的压力降增加。

Manglik等研究了扭曲带在层流［35］、过渡态及湍流［36］时对换热管传热效率的影响，并得到相应的Nu与摩擦因数的计算经验公式。Zimparov等通过实验研究了波纹管与扭曲带的组合，得到了传热系数［37］与摩擦因数［38］的计算经验公式。Smith［6］在其著作中将管内扰流元件的强化传热效果归结到管内扰流元件对膜传热系数增加比例，以及对摩擦因数增加比例，得到如表1所示的经验公式。

表1中，H／dI为扭曲带或弹簧沿中轴扭转180°的长度与管内径的比值；hIe／hI为有扰流元件与没有扰流元件时管内膜传热系数的比值；Cfe／Cf为有扰流元件与没有扰流元件时管内摩擦因数的比值。

表1 管内扰流元件的强化传热与压力降性能

对于不同的流体及换热管，式（1）与式（2）的计算结果可以作为评价所选扰流元件性能的指标。选择扰流元件时，应使hIe／hI尽可能大，而Cfe／Cf尽可能小，则扰流元件在达到最大强化传热效果的同时，引起的压降损耗最小。

3 扰流元件的模拟分析

对于燃烧、高温物流的换热系统，实验成本高、难度大，利用计算流体力学（CFD）软件往往能达到优化设计与操作条件的目的。同样，在扰流元件的实际应用场合，经常遇到蒸汽发生器、高温废热回收的高温高压场合，此时，可忽略不易达到的高温、高压条件，在实验室开展常温、低压的冷模实验，并利用CFD模拟实验室不易达到的高温高压条件下扰流元件的性能。利用冷模实验与CFD模拟相结合的方式能使扰流元件的设计与结构优化更合理，更接近实际。另外，利用CFD可以预测分析不同几何构造的扰流元件强化传热与引起压力降增加的相互关系，使实验时间大大缩短。

CFD模拟的理论基础是质量、动量与能量守恒，同时，燃烧辐射传热［39］、管内流体层流、湍流［40］也有相应的理论模型。Rahimi等［39］研究了利用弹簧扰流元件防止电厂蒸汽发生器换热管爆裂（管壁温度高出设计值60℃）的可行性，选择直径3mm、螺距14mm的扰流元件，模拟发现弹簧扰流元件的加入使传热速率提高了43%，有效降低了管壁温度，但由于蒸汽发生器后接蒸汽透平装置，在高温下使用时扰流元件的断裂碎片可能破坏蒸汽透平，所以实际应用风险太高。

流体湍流状态下，贯穿于整个管内的完整扭曲带由于引起高压降而影响了其使用范围，片段型扭曲带则可以避免高压降。Wang等［41］以空气为介质，模拟分析了片段型扭曲带在管内引起的涡流在扭带片段空隙间消失的规律，给出了Re在10000～20200之间时，片段型扭曲带的扭矩、纽带片段转角与纽带片段间距的优化结构参数范围。Rahimi等［42］应用CFD模拟分析了典型、锯齿型、带凹槽与打孔的扭曲带，对各种扰流元件引起的管内流体热场分布进行了比较，同时给出了管内流体径向速度矢量图，对管内扰流元件引起的径向扰流效果给出了直观、可视化的解释。Shabanian等［43］通过实验研究了空冷器管内加入扭曲带、锯齿型扭曲带和蝴蝶型扰流元件后引起鲁塞尔数与摩擦因数的变化规律，并利用CFD对管内流场、温度场进行模拟分析，对引起这些变化的原因给出了形象、可视化的解释。

4 结 论

本文作者单位已设计多种结构管内扰流元件，主要应用在余热锅炉、易结垢管壳式换热器及废热锅炉烟管等场合。结合实际应用效果发现，虽然管内扰流元件型式多样，但其强化传热的机理都是通过增强流体径向旋流，增大管内壁流体剪切力，破坏流体边界层，使管内膜传热系数增大。同时又以牺牲系统压力降为代价，使管内污垢沉积保持在低水平，减小管内污垢热阻。在实际应用时，可通过以下步骤选择适宜的扰流元件。

（1）确定生产过程中管壳式换热设备管内流体的流动状态，层流与过渡态时首先考虑扭曲带，湍流状态下优先考虑弹簧。

（2）通过CFD模拟、实验，分析不同扭距扰流元件强化传热效果与引起压力降增加之间的关系，在满足换热设备新工艺要求的基础上，选择最大扭矩的扰流元件，以减小系统压降损失。

（3）根据不同应用场合，确定扰流元件材质，一般情况下，扰流元件选择与换热管相同材质。

（4）当换热管内流体为水、空气、无腐蚀性溶液或气相介质，且流体内含固相颗粒状杂质较少时，可以考虑非常规扰流元件，它们有更好的强化传热效果，同时由于占用了更大的管内流通面积而产生更大的压力降，机械强度也较低，在高温、高压或高速固体颗粒的冲刷下更易断裂。所以，非常规扰流元件使用条件更苛刻。

［1］ Eiamsa－Ard S，Thianpong C，Eiamsa－Ard P.Turbulent heat transfer enhancement by counter／co－swirling flow in a tube fitted with twin twisted tapes［J］.Experimental ThermalandFluidScience，2010，34（1）：53－62.

［2］ Webb R.Performance evaluation criteria for use of enhanced heat transfer surfaces in heat exchanger design［J］.InternationalJournalofHeatandMassTransfer，1981，24（4）：715－726.

［3］ Jacobi A，Shah R.Heat transfer surface enhancement through the use of longitudinal vortices：A review of recent progress［J］.ExperimentalThermalandFluidScience，1995，11（3）：295－309.

［4］ Wang L，Sunden B.Performance comparison of some tube inserts［J］.InternationalCommunicationsinHeatand MassTransfer，2002，29（1）：45－56.

［5］ Webb R L，Kim N H.Principles of Enhanced Heat Transfer［M］.2nd ed.London：Taylor ＆Francis Group，2005：207.

［6］ Smith R.Chemical Process Design and Integration［M］.New York：Wiley，2005：317－354.

［7］ Eiamsa－ard S，Promvonge P.Enhancement of heat transfer in a tube with regularly－spaced helical tape swirl generators［J］.SolarEnergy，2005，78（4）：483－494.

［8］ Garcia A，Solano J P，Vicente P G，et al.Enhancement of laminar and transitional flow heat transfer in tubes by means of wire coil inserts［J］.InternationalJournalof HeatandMassTransfer，2007，50（15）：3176－3189.

［9］ Dewan A，Mahanta P，Raju K S，et al.Review of passive heat transfer augmentation techniques［J］.Proceedingsof theInstitutionofMechanicalEngineers，PartA：Journal ofPowerandEnergy，2004，218（7）：509－527.

［10］ Abu－Khader M M.Further understanding of twisted tape effects as tube insert for heat transfer enhancement［J］.HeatandMassTransfer，2006，43（2）：123－134.

［11］ Bas H，Ozceyhan V.Heat transfer enhancement in a tube with twisted tape inserts placed separately from the tube wall［J］.ExperimentalThermalandFluidScience，2012，41：51－58.

［12］ Padhi S K，Singh R K，Agrawal S K.Effect of twisted tape baffles on pressure drop，fluctuation and expansion ratios in gas－solid fluidized Bed［J］.Iran.J.Chem.Chem.Eng.，2012，29（1）：33－40.

［13］ Ritchie J，Droegemueller P，Simmons M.hiTRAN®wire matrix inserts in fouling applications［J］.Heat TransferEngineering，2009，30（10－11）：876－884.

［14］ 姬长发，慕红艳，孙瑞科，等.插入扰流元件换热管强化换热效果分析［J］.化工学报，2012，63（s2）：58－63.

［15］ 姜鹏，阎华，张震，等.换热器内插件的研究进展［J］.广州化工，2011，39（20）：1－2.

［16］ Tijing L D，Pak B C，Baek B J，et al.A study on heat transfer enhancement using straight and twisted internal fin inserts［J］.InternationalCommunicationsinHeatand MassTransfer，2006，33（6）：719－726.

［17］ Yakut K，Sahin B，Canbazoglu S.Performance and flowinduced vibration characteristics for conical－ring turbulators［J］.AppliedEnergy，2004，79（1）：65－76.

［18］ Yakut K，Sahin B.Flow－induced vibration analysis of conical rings used for heat transfer enhancement in heat exchangers［J］.AppliedEnergy，2004，78（3）：273－288.

［19］ Eiamsa－ard S，Wongcharee K，Eiamsa－ard P，et al.Heat transfer enhancement in a tube using delta－winglet twisted tape inserts［J］.AppliedThermalEngineering，2010，30（4）：310－318.

［20］ Murugesan P，Mayilsamy K，Suresh S，et al.Heat transfer and pressure drop characteristics in a circular tube fitted with and without V－cut twisted tape insert［J］.InternationalCommunicationsinHeatandMassTransfer，2011，38（3）：329－334.

［21］ Eiamsa－Ard S，Wongcharee K，Eiamsa－Ard P，et al.Thermohydraulic investigation of turbulent flow through a round tube equipped with twisted tapes consisting of centre wings and alternate－axes［J］.ExperimentalThermaland FluidScience，2010，34（8）：1151－1161.

［22］ Wongcharee K，Eiamsa－Ard S.Enhancement of heat transfer using CuO／water nanofluid and twisted tape with alternate axis［J］.InternationalCommunicationsinHeat andMassTransfer，2011，38（6）：742－748.

［23］ Thianpong C，Eiamsa－Ard P，Eiamsa－Ard S.Heat transfer and thermal performance characteristics of heat exchanger tube fitted with perforated twisted－tapes［J］.HeatandMassTransfer，2012，48（6）：881－892.

［24］ Chang S W，Yang T L，Liou J S.Heat transfer and pressure drop in tube with broken twisted tape insert［J］.ExperimentalThermalandFluidScience，2007，32（2）：489－501.

［25］ Promvonge P，Chompookham T，Kwankaomeng S，et al.Enhanced heat transfer in a triangular ribbed channel with longitudinal vortex generators［J］.EnergyConversionand Management，2010，51（6）：1242－1249.

［26］ Eiamsa－ard S，Seemawute P，Wongcharee K.Influences of peripherally－cut twisted tape insert on heat transfer and thermal performance characteristics in laminar and turbulent tube flows［J］.ExperimentalThermalandFluidScience，2010，34（6）：711－719.

［27］ Seemawute P，Eiamsa－Ard S.Thermohydraulics of turbulent flow through a round tube by aperipherally－cut twisted tape with an alternate axis［J］.International CommunicationsinHeatandMassTransfer，2010，37（6）：652－659.

［28］ Promvonge P，Eiamsa－ard S.Heat transfer behaviors in a tube with combined conical－ring and twisted－tape insert［J］.InternationalCommunicationsinHeatandMassTransfer，2007，34（7）：849－859.

［29］ Promvonge P.Thermal augmentation in circular tube with twisted tape and wire coil turbulators［J］.Energy ConversionandManagement，2008，49（11）：2949－2955.

［30］ Chang S W，Yu K W，Lu M H.Heat transfers in tubes fitted with single，twin，and triple twisted tapes［J］.ExperimentalHeatTransfer，2005，18（4）：279－294.

［31］ Eiamsa－Ard S，Thianpong C，Eiamsa－Ard P，et al.Thermal characteristics in a heat exchanger tube fitted with dual twisted tape elements in tandem［J］.International CommunicationsinHeatandMassTransfer，2010，37（1）：39－46.

［32］ Smithberg E，Landis F.Friction and forced convection heat－transfer characteristics in tubes with twisted tape swirl generators［J］.JournalofHeatTransfer，1964，86：39.

［33］ Kumar P，Judd R.Heat transfer with coiled wire turbulence promoters［J］.TheCanadianJournalof ChemicalEngineering，1970，48（4）：378－383.

［34］ Polley G，Athie R，Gough M.Use of heat transfer enhancement in process integration［J］.HeatRecovery SystemsandCHP，1992，12（3）：191－202.

［35］ Manglik R M，Bergles A E.Heat transfer and pressure drop correlations for twisted－tape inserts in isothermal tubes.I：Laminar flows［J］.JournalofHeatTransfer，1993，115（4）：881－889.

［36］ Manglik R M，Bergles A E.Heat transfer and pressure drop correlations for twisted－tape inserts in isothermal tubes.II：Transition and turbulent flows［J］.Journalof HeatTransfer，1993，115（4）：890－896.

［37］ Zimparov V.Prediction of friction factors and heat transfer coefficients for turbulent flow in corrugated tubes combined with twisted tape inserts.Part 2：heat transfer coefficients［J］.InternationalJournalofHeatandMassTransfer，2004，47（2）：385－393.

［38］ Zimparov V.Prediction of friction factors and heat transfer coefficients for turbulent flow in corrugated tubes combined with twisted tape inserts.Part 1：friction factors［J］.InternationalJournalofHeatandMassTransfer，2004，47（3）：589－599.

［39］ Rahimi M，Shariati S M，Khoshhal A.CFD study of using a tube insert and an air blowing system to prevent tube failure in the Bisotoun power plant boiler.Proceedings of the 5th WSEAS international conference on Simulation，modelling and optimization［C］／／Greece，World Scientific and Engineering Academy and Society（WSEAS），2005：433－438.

［40］ Shih T H，Liou W W，Shabbir A，et al.A newk－∊eddy viscosity model for high reynolds number turbulent flows［J］.Computers＆Fluids，1995，24（3）：227－238.

［41］ Wang Y，Hou M，Deng X，et al.Configuration optimization of regularly spaced short－length twisted tape in a circular tube to enhance turbulent heat transfer using CFD modeling［J］.AppliedThermalEngineering，2011，31（6）：1141－1149.

［42］ Rahimi M，Shabanian S R，Alsairafi A A.Experimental and CFD studies on heat transfer and friction factor characteristics of a tube equipped with modified twisted tape inserts［J］.ChemicalEngineeringandProcessing：ProcessIntensification，2009，48（3）：762－770.

［43］ Shabanian S，Rahimi M，Shahhosseini M，et al.CFD and experimental studies on heat transfer enhancement in an air cooler equipped with different tube inserts［J］.InternationalCommunicationsinHeatandMassTransfer，2011，38（3）：383－390.