高壓水在橫紋槽螺旋管中的傳熱性能研究①

王小娟 李慶生

(南京工業大學機械與動力工程學院)

高壓水在橫紋槽螺旋管中的傳熱性能研究①

王小娟 李慶生

(南京工業大學機械與動力工程學院)

采用FLUENT軟件，以高壓水為介質分析了光管螺旋管和橫紋槽螺旋管管內流體流動傳熱和壓降性能。結果表明：橫紋槽螺旋管的傳熱性能優于光管螺旋管，同時壓降也高于光管螺旋管。

繞管式換熱器 光管螺旋管 橫紋槽螺旋管 傳熱性能

繞管式換熱器相對于普通的列管式換熱器具有結構緊湊度高、適用溫度范圍廣、可用于高壓環境、傳熱溫差小、熱應力能自身消除、適應熱沖擊及可同時進行多種介質的傳熱等優勢。Ferng Y M等利用CFD方法分析了迪恩數De和螺距對繞管式換熱器管程傳熱性能的影響，并通過實驗數據驗證該CFD模型的合理性[1]。Jayakumar J S等采用實驗和數值模擬方法對螺旋管換熱性能進行研究，結果表明恒定壁溫和恒定熱流率邊界條件均有一定的誤差，采用耦合傳熱計算方法后，實驗和數值模擬結果吻合較好[2]。Rainieri S等實驗研究了在光滑螺旋換熱管和波紋螺旋換熱管內的強制對流傳熱，結果表明：在低迪恩數時，兩種結構的傳熱效果相近；高迪恩數時，波紋螺旋換熱管傳熱效果強于光管[3]。Yang G等通過迪恩數De、扭曲和普朗特數Pr3個變量，采用數值模擬方法研究了在螺旋換熱管內充分發展的層流對流傳熱[4]。Zachar A通過數值模擬分析了不同的幾何參數和熱邊界條件對層流和過渡流傳熱速率的影響[5]。Shokouhmand H和Salimpour M R基于最小熵變原則，采用定壁溫邊界條件分析了螺旋換熱管內的層流流動特性和傳熱性能[6]。Seban R A和Mclaughlin E F實驗分析了水在螺旋換熱管內層流和湍流狀態下的傳熱特征，并給出了雷諾數Re范圍為6 000～65 500、普朗特數Pr范圍為2.9～5.7時的努塞爾數Nu公式[7]。Roger G F C和Mayhew Y R實驗研究了螺旋換熱管內的對流傳熱和摩擦系數，并提出了雷諾數Re范圍為10 000～100 000、普朗特數Pr為7時的努塞爾數Nu公式[8]。Mori Y和Nakayama W通過理論和實驗兩種方法研究了在定熱通量邊界條件下彎管內的湍流傳熱，并對相同的模型以定壁溫為邊界條件研究其傳熱性能[9，10]。Jayakumar J S等通過實驗和數值模擬兩種方法研究了繞管式換熱器在液-液之間管內的傳熱特征，分析了定壁溫、定熱通量和定對流系數3種邊界條件對換熱管CFD模型的傳熱影響，擬合的努塞爾數Nu公式適用的迪恩數De范圍為2 000～12 000、普朗特數Pr范圍為1.0～3.5[11]。

橫紋槽管式換熱器是20世紀70年代中期出現的一種高效換熱器元件，可以顯著強化流體的傳熱效果，目前為止對橫紋槽螺旋管的換熱性能研究較少。筆者進行橫紋槽螺旋管與光管螺旋管的傳熱特性分析。

1 數值模擬

1.1物理模型

光管螺旋管的模型如圖1所示，其中d為管直徑，p為節距，D為纏繞直徑，α為螺旋角。螺旋管的具體參數為：d=10mm，p=50mm，D=200mm。橫紋槽螺旋管的模型如圖2所示，是在光滑螺旋管的外壁滾軋出與管子軸線垂直的凹槽，其中m為相鄰兩個凹槽之間的軸向距離，e為槽深，n為槽寬。其具體參數為：m=47mm，e=0.3mm，n=1.04mm。

圖1 光管螺旋管模型

a. 橫紋槽螺旋管模型

b. 橫紋槽放大圖

1.2數學模型

筆者采用Realizablek-ε湍流模型，數學模型包括連續性方程、動量方程、能量方程：

在CFD分析中，可實現k-ε湍流模型，需要求解湍動能k和湍流耗散率ε：

YM

1.3網格劃分

圖3為橫紋槽螺旋管光滑處和橫紋槽處的網格示意圖。由于螺旋管在流動過程中會產生二次流，近壁面處流動復雜，因此需要加密網格。但是，加密網格的同時，計算時間和計算機的內存會造成一定的限制。因此，筆者采用加強壁面函數，在保證計算精度的基礎上節省計算時間。最終，進行網格無關性驗證后，網格數量為1 912 320。

a. 光滑處

b. 橫紋槽處

1.4數值方法和邊界條件

使用CFD軟件FLUENT模擬流體在螺旋管內的流動冷卻傳熱，進口采用速度進口，出口采用壓力出口，壁面為均勻熱流。采用SIMPLC算法求解壓力速度耦合方程。湍流脈動能方程采用一階迎風格式，連續性方程、動量方程、能量方程和湍流耗散率方程采用二階迎風格式。物性使用多段線性，使之更接近實際物性。

2 計算結果及分析

2.1模型驗證

為了與文獻[7]的實驗結果進行對比，選擇10MPa、330K狀態下的水為介質，對光管螺旋管進行分析。圖4為努塞爾數Nu模擬值與文獻[7]實驗值的對比，兩者之間最大誤差為31%，平均誤差為28%，考慮到實驗測量誤差、有限元計算中假設、簡化等計算誤差，可認為模擬值與實驗值的變化趨勢符合較好，能夠反映流動換熱的特性。

2.2橫紋螺旋管光滑處與橫紋槽處速度矢量圖對比

在橫紋螺旋管光滑處的速度矢量圖如圖5a所示，由于彎管造成的二次流，在管壁的上下方形成兩個漩渦，而密度差會在管壁的內外側形成漩渦。筆者在計算時考慮了物性的變化和重力的影響，因此上下兩側的漩渦相對于管水平線有一定的偏移，由于溫度差較小、密度相差很小，因此偏移量較小。橫紋螺旋管橫紋槽處的速度矢量圖如圖5b所示，由于橫紋槽的存在，使得壁面處速度矢量雜亂無章，表明該處的流動復雜，湍流程度增強。

圖4 努塞爾數Nu模擬值與實驗值對比

圖5 橫紋槽螺旋管速度矢量圖

2.3光管螺旋管和橫紋槽螺旋管傳熱性能對比

如圖6所示，橫紋槽螺旋管的換熱性能明顯優于光管螺旋管，努塞爾數Nu約提高了5%～6%。計算中采用的橫紋槽螺旋管橫紋槽分布較稀疏，槽深、槽寬較小，后期研究中可通過對橫紋槽螺旋管的橫紋槽結構參數優化進一步提高傳熱綜合性能。

2.4光管螺旋管和橫紋槽螺旋管壓降對比

如圖7所示，橫紋槽螺旋管的壓降明顯大于光管螺旋管壓降，這是由于橫紋槽結構造成流體流道截面的不斷變化，導致流動阻力增大，壓降增加。

圖6 橫紋槽螺旋管和光管螺旋管換熱性能對比

圖7 橫紋槽螺旋管和光管螺旋管壓降對比

3 結論

3.1以10MPa、330K狀態下的高壓水為介質，得到光管螺旋管努塞爾數Nu值隨雷諾數Re的變化趨勢，并與文獻[7]實驗結果進行了對比。結果表明：模擬值與實驗值的變化趨勢符合較好。

3.2對光管螺旋管和橫紋槽螺旋管的換熱性能和壓降進行比較分析。結果表明：橫紋槽螺旋管的努塞爾數Nu比光管螺旋管提高了5%～6%。這是因為橫紋槽的存在，使得在它附近的湍流程度加強，導致傳熱效果明顯優于光管螺旋管，另外橫紋槽結構造成流體流道截面的不斷變化，導致流動阻力增大，壓降增加。

3.3目前，繞管式換熱器管束均采用光管螺旋管，筆者提出了橫紋槽螺旋管結構，使繞管式換熱器的傳熱性能具有較大的發展空間。今后可以通過對應用于LNG液化工藝中的橫紋槽螺旋管相鄰凹槽之間的軸向距離m、槽深e及槽寬n等參數進行優化設計，達到提高傳熱和壓降綜合性能的效果，為高效率LNG繞管式換熱器的設計研究提供指導。

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[11] Jayakumar J S，Mahajani S M， Mandal J C，et al.Experimental and CFD Estimation of Heat Transfer in Helically Coiled Heat Exchangers[J].Chemical Engineering Research and Design，2008，86(3)：221～232.

2016-11-23，

2017-09-16)

(Continued from Page 536)

AbstractThe application of clamping connection, tooth-locked connection, wholly tooth-locked connection and that connection with flat-cover shear ring for pressure vessels were analyzed and compared to show that, many factors have to be taken into account when quick-opening structure is adopted for pressure vessels, including giving full consideration to the safety and reliability in their application.

Keywordspressure vessel, quick-opening structure,“O” ring, rigidness

StudyonHeatTransferPerformanceofHigherPressureWaterinWoundTubeswithTransverseGrooves

WANG Xiao-juan, LI Qing-sheng

(SchoolofMechanicalandPowerEngineering,NanjingTechUniversity)

In this paper, having FLUENT software adopted and high-pressure water taken as the medium to analyze both heat transfer and pressure drop within the smooth wound tube and that with transverse grooves were implemented to show that, the heat transfer performance of the wound tube with transverse grooves outperform that of the smooth wound tube, so does its pressure drop.

wound tube heat exchanger, smooth wound, wound tube with transverse groove, heat transfer performance

江蘇省六大人才高峰項目(2014-ZBZZ-013)。

王小娟(1988-)，碩士研究生，從事換熱器的傳熱強化和結構設計研究。

聯系人李慶生(1969-)，副教授，從事結構強度和高效傳質傳熱設備的研究，lqsh@njtech.edu.cn。

TQ051.5

A

0254-6094(2017)05-0564-05