研究背景——列管换热器内插件

管壳式换热器广泛应用于化工、电力、炼油、动力、冶金、制冷等各个领域，然而此类换热器仍然存在运行效率低下的问题，这是提高企业经济效益的瓶颈，特别是在能源危机越来越严重的今天，解决换热器的低效率问题迫在眉睫，归根结底就是要解决两个关键性的问题，其一，提高换热设备的换热效率; 其二，减少换热管内污垢的沉积。针对以上两个问题，近年来有很多学者都提出要以在换热管内加入内插件的方式作为有效的解决方法，其中内插件的主要形式有螺旋弹簧、螺旋纽带和“洁能 芯”转子，它们都能在强化传热的同时，有效地减少污垢的沉积。

换热器作为一种基础的热量传递和转化设备，在工业生产中具有至关重要的地位，其传热效率的高低对节能减排有着重要的意义。

在换热管中内插扰流元件的方法，能够有效提高传热效率，具有无需增加用地和安装检修方便的特点，因此在强化传热领域得到广泛应用。

研究背景——列管换热器内插件

三叶式内插件分类：

列管换热器内插件——三叶式内插件制作过程

1、三叶式内插件小节制作过程

2、三叶式内插件小节装配连接方式

3、成型的三叶式内插件

传热特征对比

不同雷诺数Re下    （a）管程努塞尔数Nu的变化                   （b）管程努塞尔数Nu与光管Nu0比值的变化

其中无孔三叶式内插件的传热特性与光管类似，并未起到强化传热作用。
传热效果最好的是交错顺三叶式内插件，因此除无孔三叶式外，其余四种内插件均能增加换热器的传热效果。

阻力特性对比

不同雷诺数Re下    （a）管程摩擦阻力系数f的变化             （b）管程摩擦阻力系数f与光管f0比值的变化    

综合性能分析

换热效率综合指标PEC值随雷诺数Re的变化

（注：PEC指标数值越高，代表传热效果越好）

其余四种三叶内插件的综合传热性能不理想，即使造成了较大的阻力，但所带来的传热效果提升并不明显；而交错顺三叶式内插件虽然也造成了较大的阻力，但能够很好地提升传热效果。

列管换热器内插件——三叶纽带式内插件
考虑到三叶式内插件对流体的扰动能力有限，通过在插件中央安装纽带的方式增加流体的扰动，从而增强三叶式内插件的综合传热性能。

设计了三种扭率不同的纽带，其带宽W均为8 mm，节距P分别为24 mm、32 mm和40 mm，对应的扭率T分别为3、4和5

纽带结构示意图   —— 三叶纽带式内插件示意图
将制作好的纽带安装进三叶式内插件（全顺三叶式、全逆三叶式、交错顺三叶式、交错逆三叶式）中，即为实验所使用的四种三叶纽带式内插件：

1、全顺三叶纽带式内插件  2、全逆三叶纽带式内插件  3、交错顺三叶纽带式内插件  4、交错逆三叶纽带式内插件

传热特征对比

不同雷诺数Re下   （a）管程努塞尔数Nu的变化         （c）管程努塞尔数Nu与三叶式内插件Nu三叶式比值的变化

1、全逆三叶纽带式内插件的传热效果最好，努塞尔数Nu增加到光管的1.59~2.92倍，平均增幅为116.1%。
2、因此安装纽带可以有效提升三叶式内插件的传热效果。

阻力特性对比

不同雷诺数Re下 （a）管程摩擦阻力系数f的变化      （d）管程摩擦阻力系数f与三叶式内插件f三叶式比值的变化    

四种三叶纽带式内插件的摩擦阻力系数f较为接近，其中交错顺三叶纽带式内插件的阻力损失最大。
交错顺、交错逆、全顺和全逆三叶纽带式内插件的管程摩擦阻力系数f分别平均增长到对应三叶式内插件的1.33倍、1.27倍、1.25倍和1.20倍。
因此在三叶式内插件中安装纽带会造成阻力损失的进一步增大，平均增幅为26.2%。

综合性能分析

不同雷诺数Re下  （a）换热效率综合指标PEC值变化 （b）三叶纽带式与三叶式内插件PEC值的比值（PEC/PEC三叶式）变化

其中全逆三叶纽带式内插件的综合传热效果最好。
因此安装纽带可以有效提升三叶式内插件的综合传热效率。

（注：PEC指标数值越高，代表传热效果越好）

扭率对性能的影响
不同扭率的纽带和（a）全顺纽带式；（b）全逆纽带式；（c）交错顺纽带式；（d）交错逆纽带式三叶内插件在不同雷诺数Re下热效率综合指标PEC值变化

扭率T对三叶纽带式内插件综合性能的影响：
因此在扭率T为3~5的范围内，扭率越小对应的综合传热效率指标PEC值越大，即纽带扭转的圈数越多对应的综合传热效果就越强。

列管换热器内插件——三叶式内插件

三叶式内插件换热管模型结构示意图

三叶纽带式内插件换热管模型结构示意图

三叶式内插件网格图

由于三叶式和三叶纽带式内插件结构复杂，采用多面体网格并且局部加密，模型网格数量在719.7万左右

三叶式内插件——总结

传热特性

无纽带结构：交错顺三叶式内插件传热效果最好
有纽带结构：全逆三叶纽带式内插件传热效果最好

阻力特性

无纽带结构：全逆三叶式内插件摩擦阻力系数f最大
有纽带结构：交错顺三叶纽带式内插件摩擦阻力系数f最大

综合性能

无纽带结构：交错顺三叶式内插件综合传热性能最好
有纽带结构：全逆三叶纽带式内插件综合传热性能最好
叶纽带式内插件中纽带扭率的不同会对传热、阻力和综合性能产生影响，扭率越小对应的努塞尔数Nu、摩擦阻力系数f以及PEC值均越大，说明扭率越小虽然会造成了越大的阻力损失，但同时能够更多地提升传热效果，使得综合传热效率越高。

安装三叶式内插件的换热器管内流体平均流速增大，管壁区流体速度边界层的厚度减薄，流体速度场速度分布更有利于对流传热。

交错顺三叶式内插件作用于中心部分流体的顺流翼片在结构上要优于全逆三叶式内插件的逆流翼片，所形成的流体流动与混合方式更加合理，更有利于热量的传递。

纽带结构使三叶式内插件的对流传热速率提高，有效增强了强化传热效果。