研究背景——列管換熱器內(nèi)插件

管殼式換熱器廣泛應(yīng)用于化工、電力、煉油、動力、冶金、制冷等各個領(lǐng)域，然而此類換熱器仍然存在運(yùn)行效率低下的問題，這是提高企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益的瓶頸，特別是在能源危機(jī)越來越嚴(yán)重的今天，解決換熱器的低效率問題迫在眉睫，歸根結(jié)底就是要解決兩個關(guān)鍵性的問題，其一，提高換熱設(shè)備的換熱效率; 其二，減少換熱管內(nèi)污垢的沉積。針對以上兩個問題，近年來有很多學(xué)者都提出要以在換熱管內(nèi)加入內(nèi)插件的方式作為有效的解決方法，其中內(nèi)插件的主要形式有螺旋彈簧、螺旋紐帶和“潔能 芯”轉(zhuǎn)子，它們都能在強(qiáng)化傳熱的同時，有效地減少污垢的沉積。

換熱器作為一種基礎(chǔ)的熱量傳遞和轉(zhuǎn)化設(shè)備，在工業(yè)生產(chǎn)中具有至關(guān)重要的地位，其傳熱效率的高低對節(jié)能減排有著重要的意義。

在換熱管中內(nèi)插擾流元件的方法，能夠有效提高傳熱效率，具有無需增加用地和安裝檢修方便的特點(diǎn)，因此在強(qiáng)化傳熱領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。

研究背景——列管換熱器內(nèi)插件

三葉式內(nèi)插件分類：

列管換熱器內(nèi)插件——三葉式內(nèi)插件制作過程

1、三葉式內(nèi)插件小節(jié)制作過程

2、三葉式內(nèi)插件小節(jié)裝配連接方式

3、成型的三葉式內(nèi)插件

傳熱特征對比

不同雷諾數(shù)Re下    （a）管程努塞爾數(shù)Nu的變化                   （b）管程努塞爾數(shù)Nu與光管Nu0比值的變化

其中無孔三葉式內(nèi)插件的傳熱特性與光管類似，并未起到強(qiáng)化傳熱作用。
傳熱效果最好的是交錯順三葉式內(nèi)插件，因此除無孔三葉式外，其余四種內(nèi)插件均能增加換熱器的傳熱效果。

阻力特性對比

不同雷諾數(shù)Re下    （a）管程摩擦阻力系數(shù)f的變化             （b）管程摩擦阻力系數(shù)f與光管f0比值的變化    

綜合性能分析

換熱效率綜合指標(biāo)PEC值隨雷諾數(shù)Re的變化

（注：PEC指標(biāo)數(shù)值越高，代表傳熱效果越好）

其余四種三葉內(nèi)插件的綜合傳熱性能不理想，即使造成了較大的阻力，但所帶來的傳熱效果提升并不明顯；而交錯順三葉式內(nèi)插件雖然也造成了較大的阻力，但能夠很好地提升傳熱效果。

列管換熱器內(nèi)插件——三葉紐帶式內(nèi)插件
考慮到三葉式內(nèi)插件對流體的擾動能力有限，通過在插件中央安裝紐帶的方式增加流體的擾動，從而增強(qiáng)三葉式內(nèi)插件的綜合傳熱性能。

設(shè)計了三種扭率不同的紐帶，其帶寬W均為8 mm，節(jié)距P分別為24 mm、32 mm和40 mm，對應(yīng)的扭率T分別為3、4和5

紐帶結(jié)構(gòu)示意圖   —— 三葉紐帶式內(nèi)插件示意圖
將制作好的紐帶安裝進(jìn)三葉式內(nèi)插件（全順三葉式、全逆三葉式、交錯順三葉式、交錯逆三葉式）中，即為實(shí)驗(yàn)所使用的四種三葉紐帶式內(nèi)插件：

1、全順三葉紐帶式內(nèi)插件  2、全逆三葉紐帶式內(nèi)插件  3、交錯順三葉紐帶式內(nèi)插件  4、交錯逆三葉紐帶式內(nèi)插件

傳熱特征對比

不同雷諾數(shù)Re下   （a）管程努塞爾數(shù)Nu的變化         （c）管程努塞爾數(shù)Nu與三葉式內(nèi)插件Nu三葉式比值的變化

1、全逆三葉紐帶式內(nèi)插件的傳熱效果最好，努塞爾數(shù)Nu增加到光管的1.59~2.92倍，平均增幅為116.1%。
2、因此安裝紐帶可以有效提升三葉式內(nèi)插件的傳熱效果。

阻力特性對比

不同雷諾數(shù)Re下 （a）管程摩擦阻力系數(shù)f的變化      （d）管程摩擦阻力系數(shù)f與三葉式內(nèi)插件f三葉式比值的變化    

四種三葉紐帶式內(nèi)插件的摩擦阻力系數(shù)f較為接近，其中交錯順三葉紐帶式內(nèi)插件的阻力損失最大。
交錯順、交錯逆、全順和全逆三葉紐帶式內(nèi)插件的管程摩擦阻力系數(shù)f分別平均增長到對應(yīng)三葉式內(nèi)插件的1.33倍、1.27倍、1.25倍和1.20倍。
因此在三葉式內(nèi)插件中安裝紐帶會造成阻力損失的進(jìn)一步增大，平均增幅為26.2%。

綜合性能分析

不同雷諾數(shù)Re下  （a）換熱效率綜合指標(biāo)PEC值變化 （b）三葉紐帶式與三葉式內(nèi)插件PEC值的比值（PEC/PEC三葉式）變化

其中全逆三葉紐帶式內(nèi)插件的綜合傳熱效果最好。
因此安裝紐帶可以有效提升三葉式內(nèi)插件的綜合傳熱效率。

（注：PEC指標(biāo)數(shù)值越高，代表傳熱效果越好）

扭率對性能的影響
不同扭率的紐帶和（a）全順紐帶式；（b）全逆紐帶式；（c）交錯順紐帶式；（d）交錯逆紐帶式三葉內(nèi)插件在不同雷諾數(shù)Re下熱效率綜合指標(biāo)PEC值變化

扭率T對三葉紐帶式內(nèi)插件綜合性能的影響：
因此在扭率T為3~5的范圍內(nèi)，扭率越小對應(yīng)的綜合傳熱效率指標(biāo)PEC值越大，即紐帶扭轉(zhuǎn)的圈數(shù)越多對應(yīng)的綜合傳熱效果就越強(qiáng)。

列管換熱器內(nèi)插件——三葉式內(nèi)插件

三葉式內(nèi)插件換熱管模型結(jié)構(gòu)示意圖

三葉紐帶式內(nèi)插件換熱管模型結(jié)構(gòu)示意圖

三葉式內(nèi)插件網(wǎng)格圖

由于三葉式和三葉紐帶式內(nèi)插件結(jié)構(gòu)復(fù)雜，采用多面體網(wǎng)格并且局部加密，模型網(wǎng)格數(shù)量在719.7萬左右

三葉式內(nèi)插件——總結(jié)

傳熱特性

無紐帶結(jié)構(gòu)：交錯順三葉式內(nèi)插件傳熱效果較好
有紐帶結(jié)構(gòu)：全逆三葉紐帶式內(nèi)插件傳熱效果較好

阻力特性

無紐帶結(jié)構(gòu)：全逆三葉式內(nèi)插件摩擦阻力系數(shù)f較大
有紐帶結(jié)構(gòu)：交錯順三葉紐帶式內(nèi)插件摩擦阻力系數(shù)f較大

綜合性能

無紐帶結(jié)構(gòu)：交錯順三葉式內(nèi)插件綜合傳熱性能較好
有紐帶結(jié)構(gòu)：全逆三葉紐帶式內(nèi)插件綜合傳熱性能較好
葉紐帶式內(nèi)插件中紐帶扭率的不同會對傳熱、阻力和綜合性能產(chǎn)生影響，扭率越小對應(yīng)的努塞爾數(shù)Nu、摩擦阻力系數(shù)f以及PEC值均越大，說明扭率越小雖然會造成了越大的阻力損失，但同時能夠更多地提升傳熱效果，使得綜合傳熱效率越高。

安裝三葉式內(nèi)插件的換熱器管內(nèi)流體平均流速增大，管壁區(qū)流體速度邊界層的厚度減薄，流體速度場速度分布更有利于對流傳熱。

交錯順三葉式內(nèi)插件作用于中心部分流體的順流翼片在結(jié)構(gòu)上要優(yōu)于全逆三葉式內(nèi)插件的逆流翼片，所形成的流體流動與混合方式更加合理，更有利于熱量的傳遞。

紐帶結(jié)構(gòu)使三葉式內(nèi)插件的對流傳熱速率提高，有效增強(qiáng)了強(qiáng)化傳熱效果。