換熱管內置螺旋彈簧對傳熱性能影響的研究*

徐建民 周 瑩 胡小霞 胡奇峰 鄒 宇

（武漢工程大學化工裝備強化與本質安全湖北省重點實驗室)

換熱管內置螺旋彈簧對傳熱性能影響的研究*

徐建民**周 瑩 胡小霞 胡奇峰 鄒 宇

（武漢工程大學化工裝備強化與本質安全湖北省重點實驗室)

通過粒子成像測速（PIV）技術，研究了內置螺旋彈簧對換熱管傳熱性能的影響，并分析了螺旋彈簧節距、絲徑以及中徑對管內流場的影響。結果表明，內置彈簧管的強化傳熱系數明顯高于光管，傳熱效果隨彈簧節距、絲徑的增大而增大，隨中徑的減小而增大。通過實驗，確定了增強湍流程度的最佳方式。

內置彈簧管 強化傳熱 數值模擬 PIV實驗 換熱器 湍流 漩渦

0 序言

當今工業技術發展迅速，各領域對工業設備都強調經濟性與節能性，換熱器作為應用非常廣泛的通用工藝設備，其強化要求更為苛刻[1－3]。換熱器的強化傳熱技術，包括主動強化傳熱技術和被動強化傳熱技術，一直是節能技術領域的重要課題[4－5]。主動強化指外加額外動力實現強化，被動強化指通過表面處理、擾流裝置、渦旋流裝置等實現強化，不需要額外動力。其中渦旋流裝置應用廣泛，以螺旋線圈為主的強化手段因其制造簡單、成本低廉、適用于舊設備改造等優點而受到重視[6－8]。

目前國內外已開展對內置螺旋彈簧強化傳熱特性及除污除垢特性的研究[9－12]，但對于彈簧附近流場、彈簧振動以及傳熱機理尚不明晰。因此，亟待深入展開對內置螺旋彈簧換熱管流體流場和傳熱機理的研究。

本文采用粒子成像測速（PIV）技術對內置螺旋彈簧換熱管的傳熱進行了系統的研究[13－19]，比較了管內有螺旋彈簧和無螺旋彈簧時的流場，以研究不同螺旋參數時的流場特性及其對強化傳熱的影響。

1 實驗系統與方法

1.1 實驗系統

實驗裝置由實驗管道和供水循環系統兩部分組成，如圖1所示。

圖1 圓管內插入螺旋彈簧實驗裝置

（1）實驗管道

實驗管道材質為透明亞克力，其具有較好的透明性、化學穩定性和耐候性，利于PIV實驗。選取的管道模型長為960 mm、內徑為20 mm。

（2）供水循環系統

供水循環系統由儲水池、自吸泵、球閥及連接管路組成。實驗過程中，保持管道內為全封閉狀態。實驗所用的儲水池是容積為30 L的長方體鐵盒。此外，在實驗管道出口安裝球閥，并可以通過控制其開度來調節流速。泵進入工作狀態后，即可保持水在系統管路內循環。

1.2 實驗方法

圖2所示為圓管內置螺旋彈簧的結構。實驗采用的幾種螺旋彈簧的參數如表1所示。

圖2 圓管內置螺旋彈簧結構

實驗研究了在相同雷諾數條件下，彈簧結構參數對換熱管流場的影響。為了提高實驗的準確性，在實驗系統達到平衡狀態后開始測量。實驗示蹤粒子采用直徑為20 nm的玻璃珠，其流場跟隨性高、光散射性好且顆粒均勻，成像效果很好。

表1 彈簧管號及彈簧幾何尺寸 (單位：mm)

2 參數定義

（1）雷諾數Re

式中de——內插自振彈簧換熱管的當量直徑，m;并且 de＝di；μH2O——水的黏度，Pa·s。

查資料可知，μH2O=1.004×10-3Pa·s。

（2）入口速度

式中qv——流體的體積流量，m3/s；

v——流體的入口速度，m/s；

A——管入口截面積，m2。

（3）渦量 Ωxy

對于渦量Ωxy（s-1）有如下定義式：

式中ux、uy——分別代表截面內x軸、y軸方向上的速度分量，m/s。

3 結果分析

3.1 不同流體速度時的流場特性比較

實驗所取的T1彈簧管在不同雷諾數時對應的入口流速如表2所示。以圖3所示的T1彈簧管計算結果進行分析，其他彈簧管傳熱特性與之相似。

表2 入口速度

內置螺旋彈簧管內流體流過螺旋彈簧時，其原有的流道被阻擋，在壁面區域會形成漩渦。這不僅破壞了管內流體的結構，而且在彈簧和壁面之間產生擾流，有利于破壞邊界層。由圖3可知，當流速增大時，漩渦迅速增大，并且分離前移，促進了管壁流體的湍流流動。

圖3 流速不同時管內縱截面渦量圖（T1螺旋彈簧管）

3.2 不同節距時的流場特性比較

圖4（a）、圖4(b)、圖4(c)分別是節距為5、9、12 mm的彈簧管實驗圖。對比可知，隨著節距的增大，管內中心區域漩渦慢慢增多且強度較大，然后不斷脫離。

圖4 螺旋彈簧節距不同時管內縱截面渦量圖（Re=6522）

3.3 不同絲徑時的流場特性比較

圖5（a）、圖 5(b)、圖 5(c)分別是絲徑為0.6、1、1.5 mm的彈簧管實驗圖。對比可見，隨著絲徑的增大，漩渦的產生增多且漩渦的強度也隨之增大。絲徑較大的彈簧對流體的擾流作用更強，流體湍流強度也更大。

圖5 螺旋彈簧絲徑不同時管內縱截面渦量圖（Re=6522）

3.4 不同中徑時的流場特性比較

圖6（a）、圖 6(b)、圖 6(c)分別是中徑為17、18、19 mm的彈簧管實驗圖。對比可見，隨著彈簧中徑的增大，壁面區域漩渦的產生減少，中徑較小的彈簧其擾流作用更為明顯。

圖6 螺旋彈簧中徑不同時管內縱截面渦量圖（Re=6522）

4 結論

通過對各組強化傳熱實驗的分析，可以明確內置螺旋彈簧對傳熱性能的影響：

（1）螺旋彈簧對換熱管內流體起到了明顯的擾流作用，流體繞過螺旋彈簧時受到阻礙和導向，從而產生漩渦，并加快了流體流速；而螺旋流動狀態使湍流強度加強，充分擾動了邊界層，增強了傳熱效果。

（2）螺旋彈簧的節距、絲徑對管內流動狀態影響較大。節距越大，管內流體阻力就越小，流速就越大，同時產生的漩渦強度就越大。螺旋彈簧絲徑越大，擾流作用就越強，同時產生的漩渦強度也越大。即絲徑增大后，湍流強度增大，從而加快了中心流體與邊界層流體的對流，但絲徑的增大意味著管內流體阻力迅速上升。螺旋彈簧中徑較小時，彈簧震動的空間較大，產生的阻力較小，對流體擾流作用較明顯。

（3）綜合考慮擾流強度和邊界層狀況，得出節距大、絲徑粗和中徑小的螺旋彈簧對流體具有更為強烈的擾流作用，產生的渦量強度也較大。

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Study on Heat Transfer Performance of the Built-in Spiral Spring Heat Exchange Tube

Xu Jianmin Zhou Ying Hu Xiaoxia Hu Qifeng Zou Yu

The effect of built-in spiral spring on heat transfer performance of heat transfer tube is studied by means of particle image velocimetry (PIV).The influence of the intercept,the wire diameter and the middle diameter of the spiral spring on the flow field in the heat transfer tube is analyzed.The results show that the enhanced heat transfer coefficient of the tube with built-in spiral spring is higher than that of the light tube.The effect of heat transfer increases with the increase of the intercept and the diameter of the spring,and increases with the decrease of the middle diameter.The best way to enhance the turbulence level is determined by experiments.

Built-in spring tube;Heat transfer enhancement;Numerical simulation;PIV experiment;Heat exchanger;Turbulence;Vortex

TQ 051.5

10.16759/j.cnki.issn.1007-7251.2017.06.005

2016-10-15）

列管式換熱器流體誘導振動強化傳熱機理研究（50976080）。

**徐建民，男，1965年生，碩士，教授。武漢市，430205。