1.1背景及国内外研究现状

1.1.1扭曲管换热器相关研究背景

近年来，随着科技与经济的飞速发展，能源已经成为当今社会蓬勃发展的必备基础。对于不断飞速发展的当代，人类对于能源特别是可再生的化石能源（石油、天然气、煤炭等）的需求也在不断急剧增长--根据相关资料统计，大概每过五十年，人类对于能源的平均需求量会以翻倍的速度提升--因此显而易见能源对于当代经济社会发展的牵制问题将日益严峻，并且会对我们赖以生存的自然环境产生不可逆转的严重影响，甚至最终导致不可再生能源的消耗殆尽^[1] 。

为了缓和解决当前的资源危机，调整优化能源结构，积极设计研发并且普及各类高效性能的节能技术已经成为人类能源发展历程的必然选择。尽管能源的形式种类繁多，但是“热量的传递与转化”是几乎80％的能源利用过程中都必不可少的重要环节^[2],由此可见如若能够有效地优化改进传热过程、强化提高传热效率，则必定可以显著地节省投资运行费用同时改善提高能源的有效利用率，所以强化传热技术的研发和应用既是当今工业发展创新的必然趋势也是实现国家大力倡导的节能降耗原则的必需途径^[3] ,其中最能充分体现强化换热技术发展能力的工业设备就是换热器。

换热器又称热交换器（Heat Exchanger），作为各种国民经济工业生产（金属冶炼、石油化工、航天航空、交通运输、动力工程、食品、医药、电子、轻工等）中广泛应用的热量传递装置，它可以使用两种或两种以上具有不同温度存在热接触的工艺介质之间发生有益的热量传递过程--冷凝、蒸发、加热、冷却、供暖、制冷等等^[4], 为了实现工艺介质温度满足工艺过程条件的要求即达到工艺流程指定的标准，因此通过换热器作用使热量由较高温度的工艺介质传递至较低温度的工艺介质，与此同时也相应提升了能源利用率^[5]。

据统计，适当地选择新型强化换热技术可以显著地使换热器设备较常规降低能耗20％以上。而设计研发新型高效换热器设备品种和用适宜的强化换热方法对已有的传统管壳式换热器进行优化改进则是目前强化传热技术的主要研究方向。例如开发和采用各式各样的高效强化传热管（波纹管、横纹管、螺旋槽管、螺旋扭槽管、内翅管等）从而替代长久以来普遍使用的光滑直圆管，如此以来不仅能够有效地降低能量损耗、提升能量利用率，而且还能够节省制造耗材、减少运行经费^[6-7]。

扭曲管换热器作为一种新型高效的强化传热管型换热器，是近年来国际上问世不久的高效强化传热管重要研究成果之一^[8-9]。扭曲管是以直圆管为基础，通过旋转扭曲而成。和直圆管相比，扭曲管可以明显地强化管程及壳程流体的传热，对于提高换热器的效率和节约能源有重要的意义。然而受限于目前制造技术比较落后，致使扭曲管的生产制作、产品质量、工艺精度等均存在一定待完善的缺陷，因此国内扭曲管换热器投入实际应用的案例屈指可数；再由于国外相关厂商对研发资料的绝对保密，造成国内对扭曲管换热器强化传热及流动特性的相关研究尚且停留在比较浅显的起步阶段，急需实验与理论研究各方面的深入完善。

1.1.2国内外研究现状

扭曲管换热器最早设计于东欧，国外于20世纪80年代就已经开始对扭曲管换热器进行了研究，但由于保密等原因，此方面的研究文献很少。前苏联研究人员Dzyubenko BV等于1980年前后首先提出了螺旋扁管扭曲换热器，并对螺旋扭曲扁管换热器管程和壳程的传热与流阻性能进行了大量试验研究和数值模拟，并根据实验结果首先拟合对于壳程处于湍流区和过渡区的传热与流阻准则公式，但对于Fr小于232的情形，只给出Fr=64的传热与流阻准则公式；对于管程，虽然也拟合了传热与流阻准则公式，但是这些公式只是对试验中特定的螺旋扭曲扁管换热适用，因此没有普遍的适用价值^[10-19]。随后，瑞典的Alards公司和美国的Brown Fintube公司对扭曲扁管进行了改进，使螺旋扭曲扁管真正进入了工业应用阶段^[20]。

我国于上世纪九十年代初才正式开始启动有关扭曲管换热器的研究探索^[21]，并且至今受限于制造工艺的相对落后，导致投入实际工业领域运行使用的扭曲管换热器数量屈指可数。综上所述，相较国外的科研分析以及工业应用情况，国内不仅科研层次浅显单薄而且还欠缺丰富的实验数据验证，仍有许多亟待完善和弥补的内容。目前，国内主要从理论分析、数值模拟、实验研究三个方面进行了研究。在理论分析方面，邹家柱、段小林等人在2007年陆续发表文章表明扭曲管换热器管程的强化传热评判标准应当参照其本身及与其周长相等所对应的光滑直圆管水力直径的影响^[22-23]。在数值模拟方面，郑州大学的王定标、王宏斌、梁珍祥等人于2012年率先发表基于螺旋扭曲管概念创新设计的螺旋扭曲三叶管设计构想，随后又利用数值模拟方法考察椭圆螺旋扭曲管与新型螺旋扭曲三叶管的综合性能表现优劣^[24-25]。在试验研究方面，于腾祥、李霞等人于2013年归纳整理之前已有的螺旋扭曲单管实验数据，并对相同工况下的折流板换热器和折流杆换热器分别进行相关试验从而比较分析三者壳程流体传热及流阻综合性能表现优劣^[26]。