高低雙螺旋片強化套管換熱器殼側換熱

李雅俠，張騰，張春梅，張麗，吳劍華（沈陽化工大學能源與動力工程學院，遼寧 沈陽 04；沈陽化工大學化學工程學院，遼寧 沈陽 04）

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高低雙螺旋片強化套管換熱器殼側換熱

李雅俠1，張騰1，張春梅1，張麗2，吳劍華1
（1沈陽化工大學能源與動力工程學院，遼寧 沈陽 110142；2沈陽化工大學化學工程學院，遼寧 沈陽 110142）

摘要：采用實驗和數值模擬相結合的方法，研究了高低雙螺旋片對套管換熱器殼側的強化換熱效果。以僅帶有高螺旋片的換熱器結構為基礎，研究了曲率ε分別為0.44、0.321和0.131時，Reynolds數在4000～20000范圍內，低、高螺旋片高度之比l/W對殼側換熱平均Nusselt數Num和流動阻力系數f的影響，考察了等泵功條件下換熱器的綜合傳熱性能。對ε=0.44的換熱器研究結果表明：當l/W＞1/2時雙螺旋片強化傳熱效果顯著，且研究工況中l/W=3/4時最優，此時與單一高螺旋片相比，Num值平均提高了10.8％；研究范圍內，綜合強化傳熱因子PEC數在1.044～1.204。對不同曲率換熱器的研究結果表明，同一l/W值下，PEC數隨著曲率ε值的增大而增大，說明雙螺旋片結構更適合強化曲率較大的套管換熱器殼側換熱。

關鍵詞：雙螺旋片；強化傳熱；套管換熱器；數值模擬

第一作者：李雅俠（1977—），女，博士，副教授，研究方向為流體流動、傳熱及過程強化。聯系人：吳劍華，教授，博士生導師。E-mail syhgdx_wjh@163.com。

套管換熱器結構簡單、承壓能力強，在化工、動力、制藥等領域應用廣泛，其殼側的強化傳熱研究具有重要的工程實際意義。如當殼側熱阻較大時，強化殼側換熱可大幅提升換熱器整體傳熱性能。此外，當管程完成的是某種化學反應時，嚴格的溫度控制是產品質量的重要保證，此時需要殼側具有高效的傳熱能力以實現管程反應熱的快速移出。當前采用異型內管或在內管外壁增加翅片是常用的殼側強化傳熱方法[1-3]，其中在內管外壁安裝螺旋翅片不但增加了傳熱面積，同時增加了流場的擾動，提高了換熱[4-5]。王定標等[6]的研究結果表明，螺旋翅片的升角越小，其強化傳熱的效果越好，但流動阻力顯著增加。因而從綜合強化傳熱效果考慮，換熱管長度一定時，不能僅依靠減小螺旋片升角（或螺距）的方法來強化套管換熱器殼側的傳熱。針對上述問題，吳靜秋等[7]研究了不同高度的螺旋隔板對殼程流體傳熱的影響，發現隔板高度為1/2～3/4螺距時綜合換熱性能最佳。張麗等[8-9]采用螺旋片復合渦發生器的方法強化套管換熱器的殼側傳熱，指出渦發生器更適宜在小曲率套管換熱器內工作。本文以已有的研究工作為基礎，提出采用雙頭螺旋片強化套管換熱器殼側的傳熱，即在高螺旋翅片之間安裝不同高度的同向螺旋的低翅片。以僅帶有單一高螺旋片的套管換熱器殼側結構為基礎，采用實驗和數值模擬方法考察高低雙螺旋翅片對不同曲率的套管換熱器的強化傳熱效果。本文的研究可為豐富套管換熱器強化換熱的研究提供理論依據和實驗基礎。

1　實驗系統與數值模擬

1.1實驗裝置

實驗系統及裝置如圖1所示，主要由旋渦氣泵、冷卻器、渦輪流量計、壓差傳感器、熱電偶、實驗管段以及相關連接管道和閥門組成。實驗中套管換熱器管程的供熱介質為水蒸氣，通過電加熱的鍋爐產生，由上至下在管內冷凝供熱。殼側冷卻介質為空氣，經過冷卻器冷卻后由渦旋氣泵鼓入殼側，其流量和溫度的測量分別通過安裝在入口的渦輪流量計和熱電偶測量獲得。空氣在殼側由下至上與管側水蒸氣進行間壁式換熱升溫，在出口處經熱電偶測量溫度后放空。殼側壓降通過入口處安裝的壓差傳感器獲得。套管換熱器內管與螺旋片材質均為紫銅，外管材質為不銹鋼，為了減少熱量損失，在外管外壁敷設保溫材料。殼側壁溫的獲得通過沿換熱器內管外壁布置6對銅-康銅熱電偶獲得（熱電偶在圖中未全部標示出）。實驗中溫度和壓力的測量數值全部由數據采集系統直接獲得。

圖1　實驗系統簡圖

安裝高低雙頭螺旋片的套管換熱器的物理模型可簡化為，高螺旋片從內管的外壁延展到外管的內壁，構成矩形截面螺旋通道，不同高度的低螺旋片安裝在矩形通道內管外壁的中間位置，如圖2所示，圖中W為高螺旋片的高度，l為低螺旋片的高度，b為螺旋片的厚度，H為流道的高度，P為螺旋片的螺距，D為殼側內徑，d為內管外徑。

圖2　殼側流道簡化示意圖

1.2數值模擬

以空氣為工作介質，采用CFD軟件Fluent對不同曲率的安裝雙螺旋翅片的套管換熱器殼側的傳熱性能和阻力特性進行數值模擬。換熱邊界條件為內管外壁為恒定壁溫Tw=373K，采用速度入口和壓力出口的邊界條件。應用Realizable k-ε湍流模型，壓力和速度的解耦采用Simplec算法[10]，采用二階迎風格式離散動量方程和能量方程，各變量的收斂殘差取為10?6。經過網格獨立性實驗，選用網格間距為1mm可以滿足計算精度要求。

1.3數據的處理方法

為了研究雙螺旋片結構對套管換熱器的強化傳熱效果，以僅帶有單一高螺旋片的套管換熱器的殼側結構為基礎，根據矩形截面螺旋通道結構，定義曲率e為式(1)。

其中當量直徑de定義如式(2)。

量綱為1參數Re、Num和f定義如式(3)～式(5)。

式中，Num為套管換熱器殼側平均努塞爾數；f為流動阻力系數；Δp為空氣進出口的壓降；Δl為以矩形橫截面內壁中心線計算的螺旋流道長度；um為流體的截面平均速度，即um=qv/A；A為橫截面積，則平均換熱系數α可以定義為式(6)，其中空氣平均溫度差Δtm見式(7)。

式中，tin和tout分別為空氣進出口的平均溫度；tw為內管外壁面的平均溫度；F為傳熱面積，F=其中Ff為高低螺旋片的上下兩側面的面積，ηf為螺旋片散熱效率，見式(8)。

式中，λf為螺旋片的熱導率。本實驗中螺旋片的材質為高導熱性能的紫銅，故ηf的值接近于1。

為了分析不同曲率下，雙螺旋片對套管換熱器的強化傳熱效果，本文對8種結構的換熱器進行了研究，其具體結構參數見表1。其中SF表示僅采用單一高螺旋片強化傳熱的換熱器，DF表示采用高低雙螺旋片強化傳熱的換熱器。

表1　換熱器的結構參數

2　實驗與模擬的比較

為了驗證數值模擬結果的準確性，圖3和圖4分別給出了SF和DF2型換熱器殼側平均Nusselt 數Num以及流動阻力系數f的實驗和數值模擬結果的對比。分析結果表明，Num的實驗值和數值模擬值的最大偏差為11.9％，平均偏差為7.7％；f值的最大偏差偏為5.5％，平均偏差為3.8％。可見本文的數值模擬方法是可靠的。造成數值模擬與實驗存在偏差的可能原因有：實驗中螺旋片存在導熱熱阻溫度達不到模擬所設定的恒壁溫，導致Nu值存在

圖3　Num模擬值與實驗值的對比

圖4　f模擬值與實驗值的對比

偏差；螺旋片的材質存在一定的粗糙度，造成f值的偏差以及螺旋片的加工存在一定的偏差等。

3　結果與分析

3.1傳熱性能

圖5給出了ε=0.440時不同低、高螺旋片高度之比l/W值下平均Nusselt數Num的變化曲線，可以看出，殼側安裝了高低雙螺旋片的套管換熱器的Num值均高于僅安裝單一高螺旋片的Num值，說明高低雙螺旋片的強化傳熱效果要優于單一高螺旋片。這是由于加入低螺旋片后，一方面增大了傳熱面積；另一方面低螺旋片對流場起到擾動作用，進一步增加了流體的湍動程度，強化了換熱。同時可以看出，研究范圍內，隨著l/W值的增加，套管換熱器的換熱性能也在逐漸增強。當l/W≤1/2時，Num值增加幅度較小；而當l/W>1/2時，Num值顯著提高，特別是當l/W=3/4時換熱效果增強最為顯著。分析結果表明，此時與僅安裝單一高螺旋片的SF型套管換熱器相比，Num值平均提高了10.8％，最大提高了13.1％。

圖5　ε=0.440時l/W對傳熱性能的影響

3.2流動阻力

為了研究低、高螺旋片高度之比l/W的變化對換熱器殼側流動阻力Δp的影響，圖6和圖7分別給出了當ε=0.440時，不同l/W值下，換熱器殼側總的流動阻力Δp以及阻力系數f的變化曲線。從圖6中可以看出，安裝雙螺旋片的套管換熱器與安裝單一高螺旋片的換熱器相比，流動阻力Δp均有不同程度的增加，且Δp隨著l/W值的增加而逐漸增大。然而隨著l/W值的增加，由于流道的當量直徑de逐漸減小，阻力系數f則隨著l/W值的增加而呈現下降的趨勢，如圖7所示。

3.3綜合換熱性能評價

為了考察等泵功條件下，雙螺旋片結構的套管換熱器綜合換熱性能的優劣，采用綜合強化傳熱因數PEC數對其進行評價，PEC數定義為式(9)。

圖6　ε=0.440時l/W對壓降Δp的影響

圖7　ε=0.440時l/W對阻力系數f的影響

圖8　l/W值對PEC數的影響（ε=0.44）

式中，Num和f為帶有高低雙螺旋片的套管換熱器殼側平均Nusselt數和流動阻力系數，而Nu0和f0則為對應的僅帶有高螺旋片的套管換器的值。圖8中給出了曲率ε=0.44值時不同l/W值下套管換熱器的PEC數隨雷諾數Re的變化曲線，可以看出研究范圍內PEC數均大于1，在1.044～1.204，說明高低雙螺旋片的綜合強化傳熱效果要優于單一的高螺旋片。同時可以看出當l/W＞1/2時PEC值明顯提高，說明當低螺旋片高度大于高螺旋片高度的一半時，高低雙螺旋片的綜合強化傳熱效果才會更顯著。所研究的工況中，l/W=3/4時即DF3型換熱器的綜合強化傳熱性能為最佳。這是由于當低螺旋片的高度較小時，其對流場的擾動作用較小，對原有的流場改變亦不明顯，因此強化傳熱效果不顯著。隨著低螺旋片高度的增加，不但傳熱面積增大，而且高低螺旋片之間的流體在離心力的作用下，有助于二次渦的形成，促進強化傳熱。此外，低螺旋片和換熱器外管內壁之間的間隙逐漸減小，從此間隙通過的流體會以較高的速度沖擊其后的流場和高螺旋翅片，也會對換熱起強化作用，已有的研究結果[11-12]也表明適當尺寸的縫隙流動會有助于強化傳熱。

為了考察高低螺旋片對不同曲率的套管換熱器的強化傳熱效果，在曲率ε分別為0.440、0.321、0.131的僅帶有單一高螺旋片的套管換熱器殼側安裝低螺旋片，其中低、高螺旋片的高度之比l/W均選取為3/4，即表1中的DF3、DF6和DF7換熱器，數值計算得到PEC的計算結果如圖9所示。可以看出，同一Re數下，ε值越大，PEC值越高，說明高低雙螺旋片結構更適宜強化大曲率套管換熱器殼側的換熱。

圖9　曲率ε對PEC數的影響（l/W=3/4）

4　結論

（1）與單一高螺旋片結構相比，高低雙螺旋片可以更好地強化套管換熱器殼側的換熱。

（2）對于ε=0.44的換熱器，低、高螺旋片高度比l/W大于1/2時雙螺旋片強化傳熱效果顯著。

（3）曲率ε=0.44時，安裝高低雙螺旋片套管換熱器的PEC值在1.044～1.204，研究工況中l/W=3/4時，綜合強化傳熱效果最佳。

（4）相同l/W值條件下，換熱器的曲率ε越大，高低雙螺旋片的綜合強化傳熱效果越顯著。

符 號 說 明

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Heat transfer enhancement on shells of double-pipe exchanger with double helix fins

LI Yaxia1，ZHANG Teng1，ZHANG Chunmei1，ZHANG Li2，WU Jianhua1
（1College of Energy and Power Engineering，Shenyang University of Chimerical Technology，Shenyang 110142，Liaoning，China；2College of Chemical Engineering，Shenyang University of Chimerical Technology，Shenyang 110142，Liaoning，China）

Abstract：Experimental and numerical methods were adopted to study the heat transfer enhancement effect for double-pipe exchangers by installing high and low double strand helix fins on the outer wall of inner tube. The double-pipe heat exchanger with single high helical fin was treated as referenced structure. The curvature ratios were set to 0.44，0.321 and 0.131 and the Reynolds number was in the range of 4000 to 20000. The impact of the ratio of low to high helical fin heights on the average Nusselt number of shell wall Numand flow resistance coefficient f were studied. The comprehensive heat transfer performances of heat exchanger were examined at the same pump power condition. The study on heat exchanger with ε=0.44 showed that enhanced heat transfer effect was distinct when l/W value is greater than 1/2. The condition of l/W=3/4 is an optimal plan. For this case，the Numof heat exchanger with double helical fins was improved by 10.8 percent on average compared to that of single high fins. PEC values are in the range of 1.044 to 1.204 within the researched scope. The study on heat exchangers with different ε values showed that PEC values are raised with the increases of curvature ratio ε at the same l/W values，which indicates that low and high double helical fins are more suitable to double-pipe exchangers with larger curvature ratio.

Key words：double stranded helix fins；heat transfer enhancement；double-pipe heat exchanger；numerical simulation

中圖分類號：TK 172

文獻標志碼：A

文章編號：1000–6613（2016）04–1042–05

DOI：10.16085/j.issn.1000-6613.2016.04.012

收稿日期：2015-10-08；修改稿日期：2015-11-12。

基金項目：國家自然科學基金（51506133）、遼寧省教育廳項目（L2014165）及遼寧省博士科研啟動基金項目（20141085）。