華南理工大學(xué)強化傳熱與過(guò)程節能教育部重點(diǎn)實(shí)驗室將交變曲面波紋扭曲管應用于蒸發(fā)式冷卻或冷凝器。交變曲面波紋扭曲管由橢圓形管扭曲成螺旋狀，呈 交變曲面螺紋紋波線(xiàn)形?，F有的盤(pán)管換熱器，多半是單面潤濕換熱器，如水在圓管或橢圓管表 面自上而下的流動(dòng)，因此表面被全部潤濕的可能性不大。如果采用具有交變曲面的波紋扭曲 管，水流便會(huì )沿曲面交變多方向流動(dòng)，在空氣流場(chǎng)的作用下容易形成較全面的潤濕。且當噴淋水流過(guò)盤(pán)管表面時(shí)，通過(guò)二次流和離心力的作用使流體層變薄，同時(shí)產(chǎn)生擾動(dòng)增大了流體 的湍動(dòng)程度。流體層變薄和湍動(dòng)程度的增大不但可提高管外的傳熱膜系數，且扭曲管內的傳熱膜系數也可同時(shí)獲得增大。

管子表面性質(zhì)，即物理化學(xué)性質(zhì)對形成穩定均勻的薄水膜層，防止干斑的出現也有一定影響。為此，可采用專(zhuān)利技術(shù)對盤(pán)管表面進(jìn)行了表面親水改性，以降低盤(pán)管表面和水膜 間的固液表面自由能差，也就是減小其表面張力。表面張力是作用于單位長(cháng)度上的力，它產(chǎn) 生的原因是界面相內質(zhì)點(diǎn)受力不均勻造成的，有使表面縮小的趨勢，即表面張力是一種收縮力。如果能減小表面張力則便可獲得較好的水膜分布，進(jìn)而改進(jìn)傳熱性能。

1．扭曲管的水膜流動(dòng)狀態(tài)

光管和扭曲管管間水膜流動(dòng)的形態(tài)見(jiàn)圖2 - 31和圖2-32。

從圖可見(jiàn)，水流在光滑圓管間的分布較為零亂，顯得無(wú)法控制，多為分散的滴狀 流，且水滴大小不均。但從圖2 -32可看出，水膜在扭曲管管間的分布變得均勻且可控制， 水滴存扭曲管的凹凸曲面和逆流而行的空氣流的共同作用下，不斷在管表面滾動(dòng)更新，產(chǎn)生 良好的薄層蒸發(fā)和強化傳熱效果。相比之下，水膜在扭距大的扭曲管上受到更佳的表面切割 和摩擦作用，進(jìn)而流過(guò)管表面后，在管間形成更多更小的水柱流或水膜流，進(jìn)而增大了空氣 流與水流的接觸面積和時(shí)間，使過(guò)程的傳熱和傳質(zhì)得到強化。

管子表面的水膜在表面張力、重力、剪切力、慣性力和粘滯力等作用力下，會(huì )在管子底 部形成不同的積聚形態(tài)，圖2 -33和圖2-34分別給出了光滑圓管和扭曲管管底部的水膜分 布形態(tài)。

從圖2 -33可知，在光滑圓管底部有較大的水滴，由于受到表面張力、重力和剪切力等 力的作用，網(wǎng)管底部的水滴將會(huì )不停的滑動(dòng)，直到水滴達到力不平衡點(diǎn)后才會(huì )脫落于管表面，且該滯留層的厚度較厚，嚴重地影響了管內外的傳熱傳質(zhì)。圖2 -34所示扭曲管底部滯 留的為水柱流，在管外空氣流和管內制冷工質(zhì)共同的熱質(zhì)交換作用下，該水柱會(huì )因受力不均 而立刻發(fā)生脫落，實(shí)現了管底水柱流的快速更新。這樣便降低了管底水膜熱阻，實(shí)現了管子表面水膜的均勻分布，有利于蒸發(fā)式冷凝器的管內外熱質(zhì)交換。由此可以看出，改變管型能 實(shí)現管表面和管間更好的水膜分布和流動(dòng)形式，進(jìn)而增大熱質(zhì)交換面積，促進(jìn)管表面水膜的 蒸發(fā)，迅速帶走管內制冷工質(zhì)的冷凝熱，達到了強化蒸發(fā)冷凝傳熱的目的。

2．親水涂層改性管

圖2 -35和圖2-36分別為采用普通光滑銅管和表面親水處理后的管子水膜分布。

從圖2 -35可看出，未經(jīng)改性處理管表面的水膜分布很其不均，在表面張力的作用下， 發(fā)生了不同程度的收縮，有些區域水膜較厚，有些區域水膜成柱狀流流下，甚至有些區域基本上沒(méi)有水膜而出現了“干斑”現象，這對蒸發(fā)式冷凝器換熱盤(pán)管的熱質(zhì)交換是非常不利的。圖2 -36表明，經(jīng)過(guò)表面改性處理后的銅管，其表面水膜的分布變得均勻且分布面積加大，進(jìn)而使水膜變薄，呈片狀流流下，這對蒸發(fā)式冷凝器換熱盤(pán)管表面的薄膜蒸發(fā)換熱是很為有利的。原因是銅管表面和水膜間的表面張力下降，水膜自身的收縮力減弱，水膜在管壁面上鋪展能力增加，更易成膜。銅管表面改性分子在管壁與水膜界面上的定向致密排列和熱運動(dòng)，產(chǎn)生表面張力，其方向剛好與促使表面向里收縮的表面張力相抗衡，因而使水膜表面張力顯著(zhù)下降，從而使水膜在管壁表面的厚度變薄?？梢?jiàn)，通過(guò)對銅管表面的改性可以改變水膜在管表面的分布形式。