内螺纹管的齿形、传热性能、设计要素和要点

         

本文，我们将来探讨下内螺纹管的齿形、传热性能、设计要素和要点。          

         

     

     

     

传热性能是内螺纹管的重要性能指标之一，而内螺纹管的齿形对其传热性能有着较大的影响。一般来说，内螺纹管的齿形越大，其传热性能就越好。这是因为内螺纹管的齿形可以增加管道内部的湍流程度，增强了流体与管道内壁的热传递，从而提高了换热效率。      

     

此外，齿形的形状和尺寸也会对传热性能产生影响。例如，三角形齿形相对于矩形齿形具有更好的传热性能，而齿形的深度和宽度也会影响传热性能，一般来说，齿形越深、越宽，其传热性能也会相应提高。因此，在设计内螺纹管时需要考虑齿形的形状、尺寸等因素，以达到更好的传热性能。      

     

一、为什么内螺纹管能强化传热？  

    

内螺纹管是一种常用的强化传热元件，其主要是通过以下几个方面来强化传热的：

1.增大传热面积：  

内螺纹管的齿形可以增加管道内部的表面积，从而增大了传热面积，提高了传热效率。一般来说，内螺纹管比相同直径的光管可以增大表面积20％～25％。

2.增加湍流程度：  

内螺纹管的齿形可以增加管道内部的湍流程度，也就是使管子的内壁产生的螺旋流，螺旋流使流体与管壁的相对速度增加，流体更加剧烈地运动，能够减薄层流底层的厚度。螺旋流产生的离心力能够将蒸汽中夹带的液滴甩回壁面，从而推迟壁面干涸的出现。 从而增强了流体与管道内壁的热传递。

3.增加热边界层的破坏：  

内螺纹管的齿形可以破坏热边界层，边界层分离流的主要作用是搅动边界层，使该处流体倾向混合均匀，使流体更容易接触到管道内壁，从而提高了传热效率。

4.增加流体的混合程度：  

内螺纹管的齿形可以增加流体的混合程度，使流体更加均匀地分布在管道内部，从而提高了传热效率。

 

总之，采用内螺纹结构使流体旋转之后，在快发生第一类传热恶化的时候，它可以搅动流体拖延汽膜的生成，防止膜态沸腾；在快发生第二类传热恶化的时候，它能够将蒸汽中夹带的液滴甩回壁面，推迟干涸的出现。内螺纹管可以提高管内的流动换热系数，提高临界热流密度，延缓传热恶化的发生。并且即使发生了传热恶化，它也能够改善传热的特性，有效地降低壁温。

     

二、6种内螺纹管齿形特点和传热效果  

    

几种内螺纹管齿形的特点和传热效果：

1、三角形齿形：

三角形齿形是内螺纹管中最常见的齿形之一，其齿形呈三角形，具有较好的强化传热效果。三角形齿形的特点是齿形尖锐，能够增加管道内部的湍流程度，从而提高传热效率。此外，三角形齿形的制造成本相对较低，因此在工业应用中较为常见。

2、矩形齿形：    

矩形齿形是内螺纹管中另一种常见的齿形，其齿形呈矩形，相对于三角形齿形传热性能稍差。矩形齿形的特点是齿形较为平缓，流体在管道内部的运动状态相对较为平稳，湍流程度较低。因此，矩形齿形主要应用于一些对传热效率要求不是很高的场合。

3、梯形齿形：    

梯形齿形是内螺纹管中一种较为特殊的齿形，其齿形呈梯形，可以增加管道内部的湍流程度，提高传热效率。梯形齿形的特点是齿形较为复杂，制造成本较高，但是其传热效果较好，适用于对传热效率要求较高的场合。

4、圆形齿形：    

圆形齿形是内螺纹管中一种较为特殊的齿形，其齿形呈圆形，相对于其他齿形传热性能较差。圆形齿形的特点是齿形较为平缓，流体在管道内部的运动状态相对较为平稳，湍流程度较低。因此，圆形齿形的应用范围相对较窄，一般仅适用于一些对传热效率要求不高的场合。

5、其他齿形：    

除了以上几种常见的齿形外，内螺纹管中还有一些其他的齿形，如菱形齿形、半圆形齿形等，这些齿形的传热性能各有优劣，需要根据具体情况进行选择。

三、内螺纹管设计需考虑的3大因素  

    

内螺纹管设计考虑3大因素。

  工程师经过研究认为，内螺纹管齿形及几何参数的组合与优化设计应当综合考虑几何尺寸、换热效率和加工工艺性３方面的因素，这样才能使内螺纹管的传热性能得到充分提高。

 内螺纹管齿形参数除直径（即外径）Ｄ，内径ｄ和齿形外，还有底壁厚Ｔ _Ｗ （ｍｍ），齿高Ｈ _ｆ （ｍｍ），齿数（即螺纹数）ｎ，螺旋角β，齿顶角α和槽底宽Ｗ等（如下图所示）。

 

4、设计因素  

    

１、底壁厚     

近２０年来，内螺纹管的底壁厚呈不断减薄趋势，目前内螺纹管底壁厚一般在０．２５～０．３ｍｍ范围内，底壁厚越薄传热效果越好，但底壁厚过薄会削弱管材的强度以及齿的稳定性，不仅不利于后道工序的Ｕ形弯管质量与焊接质量，而且同样也会因齿的稳定性差，影响传热效果。

２、齿高    

齿高是影响传热的重要因素，增加齿高会使内表面换热面积和刺破液膜能力增加，内螺纹管传热效果增强，但齿高的增大受加工技术的限制。目前内螺纹管齿高一般在０．１～０．２５ｍｍ范围内。

３、螺旋角    

螺旋角的存在是为了使流体旋转，使管道中流体产生与径向不同的二次流，增加湍流的强度，从而使对流换热得到加强，换热系数随之增加，所以螺旋角增大能增强换热系数，但随着螺旋角的增大，压力损失也随之增加，故螺旋角也不是越大越好，而是有一个合理的范围。目前内螺纹管的螺旋角通常处于１０°～２５°范围内。

根据试验结果显示：在此范围内，蒸发管的螺旋角小一些较好，冷凝管的螺旋角大一些较好。另外，螺旋角与外径之间存在相互制约的关系，当直径较小时，制冷剂的流动阻力较大，则螺纹角应取小值；当直径较大时，制冷剂的流动阻力较小，则螺纹角应取大值。

４、齿顶角    

齿顶角小，有利于增加内表面换热面积，减薄冷凝传热的液膜厚度，增加蒸发传热的汽化核心，但齿顶角过小，则内螺纹管齿的抗胀管强度过小，齿高在胀管后被压低的程度及齿型的变形量增加会引起传热效率减低，因此在保证齿的抗胀管强度的前提下，内螺纹管的齿顶角尽可能小些，目前一般在４０°～６０°之间。

５、齿数    

增加齿数即螺纹条数能够增加汽化核心的数目，有利于沸腾换热举措，增加内表面换热面积。但是齿数增加过多，会使齿间距过小，反而减弱了管内流体的被搅拌强度，且加大了齿间液膜厚度，增大了热阻，而降低了换热能力，使得螺纹管的换热效率趋近于光管，故齿数应控制在一定的范围内为宜。目前内螺纹管的齿数一般在５０～７０条之间，其中：当内螺纹管用于制作蒸发器时，齿数一般在５０～６０条之间；当内螺纹管用于制作冷凝器时，齿数一般在６０～７０条之间。此外，当管径较小时，取小值；当管径较大时，取大值。

６、槽底宽    

槽底宽尺寸大有利于传热，但槽底宽尺寸过大，胀管后齿高被压低的程度及齿型的变形量增加，传热效率将降低，因此在保证抗胀管强度的前提下，槽底宽大些好。

７、润周长    

增加润周长可以增加汽化核心数，使蒸发传热效率显著提高。因此，对于蒸发器用管，管内横截面润周长越大越好。润周长的增加，可以通过增加齿高和减少齿顶角来实现。

８）蓄液面积    

对于冷凝管，增加蓄液面积可显著增加冷凝传热效果，目前蓄液面积不断向增大方向发展，蓄液面积增加可通过增加齿高来实现。以上内螺纹管齿形参数中：直径、齿形、底壁厚、齿高、齿数、螺旋角、齿顶角是内螺纹管的主要齿形参数。主要齿形参数确定了，则槽底宽、润周长、蓄液面积等参数也就确定了。

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