1.2 空調冷卻水強化換熱及污垢

為了追求更高的換熱效率，第二代傳熱技術“強化傳熱技術”能夠顯著改善換熱器的傳熱性能，縮小換熱設備的體積與尺寸，是實現節能的重要途徑之一。強化傳熱技術包括表面粗糙化（微肋）、增加翅片、強迫對流、流體中加入添加劑等方式。目前新型換熱器如翅片管換熱器、殼管式換熱器和繞管式換熱器等均在工業界得到應用。通過對光滑表面進行壓延處理，使其表面出現二維或三維的微肋來改變近壁面流體的流場，從而達到強化傳熱的目的，此類換熱管被稱為“強化換熱管”或“強化管”。強化換熱管因內表面特殊的肋片分布結構，其換熱性能相較于普通光管得到了大幅的提升，在換熱器領域得到廣泛應用。其中一個重要應用領域是制成殼管式冷凝器用于空調冷卻塔水系統。工業界的統計數據顯示，北美市場制冷量大于100冷噸的水冷制冷機組所采用的冷凝器多為應用了強化管的殼管式換熱器。暖通空調設備制造商、末端設備用戶以及建筑擁有者對該類制冷設備的投資額比重較大。據不完全統計，2018年全球熱交換器市場規模為146.8億美元，預計到2023年將達到225.9億美元，而2018—2023年的平均年增長率將為9.0%。另有數據顯示，2014年殼管式冷凝器已達到全球換熱器市場的最高份額，且在2020年已占據市場主導地位。

1.2.1 冷卻水換熱器常用換熱管

1.強化換熱管簡介

強化換熱管（簡稱強化管）是一種增強管內強迫對流的湍流強化換熱元件，由普通光管通過“壓延法”制作而成。圖1-1所示為內螺紋強化管的加工過程，在加工過程中銅管內外由三個輥驅動，呈螺旋狀前進。在輥和軸的共同擠壓作用下，銅管的內外表面上分別形成連續不斷的內螺旋肋和外翅片。這種方式制作的強化管具有較大的換熱面積和良好的傳熱性能，體積小，有利于節省新型換熱設備的材料。同時由于它具有生產成本低、可靠性好、對比同類產品壓降損失低等優點，在工業界得到了廣泛的應用，常見的內螺紋強化管如圖1-2所示。應用強化管作為換熱器制作元件是工程中控制液體和氣體溫度，或控制制冷劑蒸發和冷凝的一個可靠的解決方案。然而強化換熱管弊端在于在層流區和過渡區表面易結垢，導致其換熱量降低，用它制造的殼管式換熱器對比板式換熱器等設備，雖然換熱表面污垢沉積趨勢基本相似，但漸近污垢熱阻高一個量級。因此它常被用于工作流體盡可能干凈的系統中，如空調系統和制冷系統。

強化管相比普通光管有著更大的外表面積，可直接作為滿液式換熱器的冷凝管，或作為中央空調和其他工業換熱器的蒸發管使用。西安交通大學冀文濤教授及其所在團隊發現這種類型的換熱管在較低熱流密度工況時，冷凝換熱比沸騰換熱表現出了更加優越的性能。強化管外部降膜流的柱狀流型如圖1-3所示，由于對表面結構的處理，強化管外壁的翅片為制冷劑的冷凝提供了良好的排水條件，有利于殼側液相工質（如制冷劑）從管外壁面均勻排出，從而形成均勻的柱狀或片狀降膜流，特別適合應用在管殼與內管的表面傳熱系數相差較大的工況中。

如圖1-4所示，按照外表面翅片高度可將強化管分為高翅管、中高翅管、低翅管和表面強化管。其中高翅管和中高翅管的外表面積比低翅管及表面強化管大得多，適用于設計特別緊湊的換熱器，主要應用在對流傳熱系數較低或工質流體黏度較高的情況，例如與機械和工業相關的油氣冷卻器等。這部分換熱器所應用的循環系統多屬于閉式系統，工作流體中幾乎不含成垢雜質，污垢的影響很小。而對于水等雷諾數較高的流體流動換熱工況，低翅管和表面強化管在制冷與空調工程領域中得到了廣泛的應用。

冀文濤教授團隊通過實驗研究了常用制冷劑R134a和新型制冷劑R1234ze（E）、R1233zd（E）在兩種低翅管外表面的冷凝特性。兩個換熱管的翅片密度和翅片高度均相同，而翅片厚度不同。制冷劑的飽和溫度設置為36℃，熱流密度的測試范圍為20～90kW/m2。實驗結果顯示，R134a的傳熱性能最好，在兩個換熱管的外表面冷凝傳熱系數均高于其他兩種制冷劑。其他學者也分別對R134a、R245fa、R1233zd（E）、R1234yf、R1234ze（E）、R290和R1234ze（Z）在沸騰和冷凝時的傳熱性能進行了相似的對比研究，得出了相同結論。即在給定的飽和溫度和熱流密度下，與其他制冷劑相比，R134a在光管和強化管的外表面傳熱系數最大。

根據強化傳熱理論，需要提高換熱量小的一側的傳熱系數。若在強化管內部增加一種特殊的螺紋，用于產生渦流或二次流，以增加湍流強度，且仍能提供一個相對較大的內部區域，以減緩流動阻力的升高。即不僅在換熱管外表面制造直肋提高制冷劑的冷凝效果，且在內表面增加螺旋肋，提高內部流體的對流換熱效果，這種處理方式對于管側傳熱系數較低或兩側傳熱系數均較低的工況非常理想。Chen和Wu研究了制冷劑在光管和內螺紋強化管冷凝時的傳熱系數。研究結果表明，在相同的測試條件下，內螺紋強化管外表面的冷凝傳熱系數比普通光管高出近10.8倍，并且總傳熱系數高出約8.4倍，其研究結果為研究換熱管在冷凝過程的傳熱機理提供了更深入的見解。整體而言，這種外有翅片、內有螺紋構造的強化管已在制冷和空調行業作為殼管式換熱器的冷凝管或蒸發管被廣泛使用。

2.強化換熱管主要結構參數

內螺紋強化管主要參數有內徑（Di）、外徑（Do）、肋間距（p）、肋高（e）、螺旋角（α）、螺紋數（Ns）等，如圖1-5所示。管外徑Do指肋尖到肋尖的距離，內徑Di是肋底到肋底的距離。肋間距p為兩肋之間的距離，肋高e為肋邊緣兩點的距離。肋螺旋角α為內螺旋線的切線與通過切點的圓柱面直母線之間所夾的銳角。螺紋數Ns為管橫截面上的螺紋個數。通過Di、Do、p、e、α和Ns等以上參數，可以確定唯一的內螺紋強化管。

典型的內螺紋強化管各參數的取值范圍為0.01≤e/Di≤0.4、1≤Ns≤82、1.5≤p/e≤46.7和0°≤α≤90°。值得注意的是，上述參數的改變對湍流工況下的傳熱系數有顯著影響，并且隨著e/Di、Ns或α的增加，努塞特數和摩擦系數均會增加，且其影響呈現非線性關系。李蔚教授研究發現上述參數也會影響污垢的生長量，同樣呈現非線性關系。因此這些參數的選擇是影響傳熱系數、壓降以及換熱管結垢可能性的關鍵因素。

3.內螺紋強化管的傳熱機理

20世紀70年代世界性能源危機爆發，其后的20余年里，強化傳熱技術迅猛發展，各種新的強化傳熱方法層出不窮。那時幾乎每種強化傳熱技術都有與之對應的強化傳熱理論。例如，擾流和旋流元件被認為是改變了流體的流動特征從而加強了傳熱介質之間的摻混程度或者在湍流對流換熱中破壞了熱邊界層；翅片被認為是在低傳熱系數一側的流體中擴展了傳熱表面積。由于影響換熱的因素紛繁復雜，強化換熱技術和評價準則多種多樣，常見的強化單相對流換熱的機理有3種，即：①減薄熱邊界層；②增加流體中的擾動；③增加壁面附近的速度梯度。這些說法都只可以解釋某些強化換熱的技術，并不能作為通用理論解釋所有的強化換熱技術。強化換熱技術的研究與發展在20世紀90年代末遇到瓶頸，缺乏創新，基本上是對原有技術的改進。1998年清華大學過增元院士基于能量方程，從流場和溫度場相互配合的角度著手，重新審視對流換熱的物理機制，在統一認識各種強化傳熱技術的基礎上提出了強化傳熱的場協同理論，即要強化對流換熱，應加大對流方程中的“等效熱源項”，提高無量綱溫度、速度分布的均勻性，降低溫度梯度與速度矢量間的夾角。關于強化換熱的場協同理論此處不再詳細介紹，讀者可查閱相關書籍。

針對內螺紋強化換熱管的傳熱問題，部分學者的研究結論有利于人們對強化換熱管表面污垢形成過程的認識，因此這里進行簡單介紹。根據冀文濤教授和Liu等人所述，內螺紋強化管依靠增加湍流和對流混合實現強化傳熱過程。靠近管壁流體的流動狀態在強化傳熱過程中起著重要作用：流體在螺旋形流道內流動時，產生了離心力，在離心力的作用下，部分流體沿管徑流向外側，再沿管壁流向內側。主體流動的路徑為沿著管的軸向流動，兩種流動增強擾動，使換熱增強，內螺紋強化管中的流體就是在這兩種運動下不斷地向前流動。管壁的螺旋槽形成了凸起的表面，當流體直接流過螺旋肋時，產生的壓力梯度加快了肋片頂端之前的流體流速。相比于光管，其流場與流線更加復雜，增加了管壁附近的切向速度，從而增強對流換熱的湍流效應，這兩方面均會對傳熱系數造成影響。同時在肋片后，速度邊界層可能從肋片表面分離，從而導致分離流動。強化管周圍的旋流如圖1-6所示，肋片后側靠近管壁處產生渦流，渦流效應會破壞管壁的熱邊界層的形成。溝槽內存在回流（反向流動）和薄邊界層，產生較高的溫度梯度，增大了管內流體的對流傳熱系數。此外，螺紋管與流體的接觸換熱面積比光管更大，這也有利于管壁與流體之間的熱量交換。

4.內螺紋強化管的壓降問題

流體擾動雖然促進了對流換熱，但也增加了壓力損失。以光管為基準，大部分強化換熱管壓降的增加百分率要比換熱量的增加百分率高。造成螺紋管壓降增大的原因較多：因面積縮小而產生的流阻、湍流增強、螺旋內肋的作用產生的旋轉流等。壓降的增加需要用更大的動力去推動流體流動。強化傳熱不僅要使其換熱增強，而且要使阻力增加較小，其綜合性能越高越好。強化傳熱的場協同理論雖然在思路上解釋了強化傳熱的物理本質，但是并不能為增強傳熱的同時帶來阻力增大這一一貫問題提供很好的理論指導。長期以來，有很多學者對高效低阻強化換熱技術進行了研究，探索降低流動阻力的新理論。

過增元院士基于動量方程分析得出流體阻力不僅取決于速度和速度梯度大小，而且取決于兩者的場協同性，通過求解場協同方程可找到最優的壓降。何雅玲院士在流場和溫度場協同的基礎上從動能方程出發分析得出，速度場和壓力場的協同性是決定強化換熱表面壓降大小的主要原因。速度矢量與壓力梯度間的夾角越大，壓力場與流場的協同性越好，流動產生的壓降越小，流動損失越小。關于強化換熱管表面壓降的場協同理論，此處不再詳細介紹，讀者可查閱相關書籍。

1.2.2 冷卻水側的污垢問題

殼管式換熱器在暖通專業中的應用有兩種形式：水-水換熱、水-制冷劑換熱。其中水環路中又可分為開式系統和閉式系統，冷卻水塔中的水環路屬于開式系統。與閉式系統相比，開式系統的循環水在冷卻水塔內與空氣進行蒸發散熱，影響了水質，增加了換熱器內冷卻水側結垢的可能性。在實際運行中換熱管表面容易被循環水中的懸浮物和溶解物污染而產生污垢，嚴重影響換熱器的換熱性能。美國賓夕法尼亞大學Webb教授多年來的研究結果顯示，冷卻水塔系統中強化換熱管在換熱性能增強的同時結垢現象也變得明顯，一些強化管的結垢速率比普通光管要高，嚴重情況下可能失去強化換熱管應有的換熱效果。

作為換熱器設計過程中的重要參數之一，污垢熱阻的取值決定了換熱器設計尺寸的合理性，設計不當將嚴重影響系統性能并增加能耗。為滿足換熱器設計者的需要，在20世紀30年代，Sieder提出了污垢系數，代替清潔系數進行換熱器設計。1941年，美國殼管式換熱器制造商協會（tubular exchanger manufacturers association，TEMA）發布了污垢熱阻系數值，作為標準供設計者參考。20世紀80年代中期，美國傳熱研究協會（heat transfer research institute，HTRI）聯合TEMA修正和補充了之前推薦的污垢熱阻系數值。在換熱器設計中采用的污垢熱阻系數除了參考TEMA標準，也參考了美國空調供熱制冷協會（air-conditioning, heating, and refrigeration institute，AHRI）規范（AHRI Standard 450—2007）和該組織制定的設備等級標準（AHRI Standard 550/590）。

在國際上，AHRI Guideline E—1997針對水冷式冷凝器及蒸發器推薦了恒定污垢因子，Heat Exchanger Design Handbook、《TEMA列管式換熱器制造商協會標準（第10版）》提供了污垢數據用以評估設備結垢量。在我國，GB/T 151—2014《熱交換器》標準列出了常用流體的固定污垢熱阻值來指導換熱器設計。現有的標準及指導手冊均采用“一刀切”的處理方法，規范中的參考值只是根據以往的經驗將工作流體分為幾大類，把每類流體中普通光管表面形成的污垢熱阻系數設定為一個常數，沒有考慮換熱器的實際運行工況，包括污垢類型、流體流速、水質情況以及換熱管表面的物理幾何參數的差異。用恒定值來評估不同運行工況、不同表面結構參數的換熱表面的污垢熱阻，這一換熱器設計思路明顯是不合理的。浙江大學李蔚教授在攻讀博士學位期間，就曾發現實驗中污垢熱阻系數是目前換熱器設計制造者廣泛應用的污垢熱阻系數的5.21倍。由于在實際工程中進行長期污垢熱阻監測非常難，在2018年最新修訂的國際通用規范AHRI Standard 550/590（I-P）—2018中，該參考值仍然沒有得到調整或補充。現有行業標準內的污垢數據僅適用于過去的個別測試案例，隨著設備換熱性能的不斷提升，目前標準對于換熱器的適用性有待考查。

國際傳熱學專家呼吁，傳熱學領域還存在兩個難題：一是換熱器表面的污垢問題；二是換熱器的接觸熱阻問題。業內權威機構美國采暖、制冷與空調工程師協會（ASHRAE）聯合全球著名換熱管生產商Wieland公司聲明：亟須針對近年來廣泛應用的強化換熱管這類非光滑換熱表面污垢的形成規律進行研究，從而全新認識污垢，構建污垢熱阻精準預測以及污垢抑制技術的基礎理論體系。