螺旋套管式換熱器內流體流動及強化傳熱分析

欒坤鵬

（珠海格力電器股份有限公司 珠海 519070）

引言

螺旋套管式換熱器廣泛應用于動力、能源、化工、制冷、核能、石油等工業中[1-4]，殼程流體旋轉流動自生的離心力與科氏力產生二次流的高效換熱性能倍受關注。管道是能量轉換和利用的橋梁，管道中不僅實現流體的輸運和相變，也是傳熱傳質的載體。目前有關光滑環形流道[5,6]和帶有螺旋凹槽流道的已有較多研究，但是對內管螺紋纏繞圈數、內管螺紋槽深對流體流動和傳熱特性的影響的文章并未查到，因此該研究具有重要的意義。

1 物理模型及數學模型

1.1 物理模型

圖1 螺紋凹槽圓環的螺旋流道模型

物理模型如圖1所示，為截面加有螺紋凹槽的不規則截面為圓環的螺旋流道模型。主要的幾何尺寸包括截面為圓環螺旋管的外圓半徑（r1）和內圓半徑（r2），螺旋半徑（Rc）和螺距（H），內管螺紋纏繞的圈數（a）和內管螺紋的槽深（b）。螺旋管的曲率定義為螺旋半徑的導數（1/Rc）。

表1 強化管模擬模型參數

建立研究對象的殼程流道并分別命名為M1、M2、M3、M4、M5、M6其參數見表 1。

1.2 數學模型

對于湍流流動的數值模擬，采用k-ε模型，壓力和速度的解耦采用SIMPLE算法，為了提高計算精度，動量和能量方程的離散均采用二階迎風格式，收斂條件為動量方程殘差小于1.0×10-6。

由于研究對象在Re= 8 000～16 000為完全湍流狀態，且從Realizable k-ε模型的特點來看，由于考慮了旋轉的影響，比較適合于解決有旋流存在的問題，因此對于模擬對象選用此模型。耦合求解方法、離散格式及動量方程殘差設置與湍流相同。

湍動能方程：

耗散率輸送方程

式中：

Gκ—平均速度梯度引起的湍動能產生；

Gb—浮力影響引起的湍動能產生；

YM—可壓縮湍流脈動膨脹對總的耗散率的影響；

C1ε、C2ε、C3ε、C2、A0—經驗常數；

Fluent中默認值為C1ε=1.44、C2ε=1.9、C3ε=0.09、C2=1.9、A0=4.0；

σκ、σε—分別為湍動能和湍動耗散率對應的普朗特數；

Fluent中默認值為σκ=1.0、σε=1.2。

2 邊界條件及流體物性參數

2.1 邊界條件

殼程入口邊界條件設置為速度入口，入口速度由雷諾數決定Re=8 000～16 000，流體入口溫度為300 K；出口邊界條件為壓力出口，為了使研究方便，出口壓力都設為0 Pa；本模型的壁面分為光滑的外壁和加有螺紋的內壁，內壁邊界條件采用恒壁溫的方式對殼程流體進行加熱，溫度設置為350 K，外壁設置為絕熱邊界條件，熱流密度為零，壁面均采用無滑移壁面條件；湍流條件選擇湍流強度和水利直徑，其它均采用默認設置。

2.2 流體物性參數

在現實工業生產應用中，換熱器內流體介質大多數為水，因此本文在研究時，以水作為流體介質很具有代表性。查水的物性參數表得到水的參數見表2。

3 結果與分析

3.1 不同螺旋螺紋圈數螺旋通道內流動熱力性能分析比較

在入口處流體流動雷諾數為16 000時，研究截面為圓環的螺旋通道的模型和內管加有不同螺紋圈數的螺旋通道模型在角度為180 °處截面上努塞爾特數和表面摩擦系數的變化情況，從而來分析螺旋流道本身結構特點對流體流動和傳熱特性的影響。

表2 水的物理性參數

圖2 模型M1、M2和M3在距離入口180 °截面處速度場矢量圖和溫度圖

3.1.1 溫度場及速度場分布

結合圖2我們可以看出，三個模型螺旋流道內流體流動的速度的最大值與內管螺紋纏繞圈數成正比。從速度流線的分布來看，在同一截面處，內管螺紋為七圈的模型M3螺旋流道內流體的速度變化最大。對于溫度分布，與模型M1相比，相同截面下模型M3向外側的溫度分布更加明顯，由此可以得到螺紋纏繞圈數越多對擾動效果更加明顯，速度變化更加明顯，更加有利于換熱。

3.1.2 雷諾數對傳熱和流動性能的影響

圖3 距入口180 °截面處Nu數變化

圖3和4展現了在內管上加有3、5和7圈相同槽深螺紋的三個模型在同一截面處（θ=180°），努賽爾數Nu及表面摩擦系數受雷諾數變化的影響。

圖4 距入口180 °截面處變化

圖5 模型M2、M4和M5在距離入口180 °截面處速度場矢量圖和溫度圖

分析發現，隨著雷諾數的增加，三個模型在同一截面處（θ=180 °）的努賽爾數也都在增加，且增加的趨勢是按照一次方程規律。從圖上可以看到隨著螺紋纏繞圈數的增加，模型在同一截面處（θ=180 °）的努賽爾數增加的趨勢也更加顯著。相反的，隨著雷諾數的增加，三個模型在同一截面處（θ=180 °）的摩擦系數都在減小，而且螺紋纏繞圈數越多的模型在同一截面處的摩擦系數越大。原因通過上面的分析，我們可以得到內管螺紋圈數越多的模型換熱性能越好，但是我們不得不考慮摩擦系數對整體性能的影響。

3.2 不同螺紋槽深螺旋通道內流動熱力性能分析比較

在入口處流體流動雷諾數為16 000時，研究不同螺紋槽深模型螺旋通道在角度為180 °處截面上努塞爾特數和表面摩擦系數的變化情況，從而來分析螺旋流道本身結構特點對流體流動和傳熱特性的影響。

3.2.1 溫度場及速度場分布

結合圖5我們可以看出，相同截面下模型M5向外側的溫度分布更加明顯，這和速度差異分布的原因相同。通過以上分析，可以得到螺紋槽深越大對擾動效果更加明顯，速度變化更加明顯，更加有利于換熱。

3.2.2 雷諾數對傳熱和流動性能的影響

圖6和7展現了在內管上加有不同槽深螺紋的三個模型在同一截面處（θ=180°），努賽爾數Nu及表面摩擦系數受雷諾數變化的影響。

由圖可知，隨著雷諾數的增加，三個模型在同一截面處的努賽爾數數在按著一次函數的規律逐漸增大，而表面摩擦系數在逐漸減小。從整體來看，模型M5在同一截面同一雷諾數下的努賽爾數最大，模型M2與之很接近，模型M4最小，另外，隨著雷諾數的增加模型M2和模型M5比模型M4的努賽爾數增加的更快，這一點可以從直線的斜率看出。這是因為，隨著雷諾數的增大，流體通道內的擾流效果更加明顯，從而加強了換熱。而在同一截面處，相同雷諾數下，三個模型的表面摩擦系數的大小關系正好與努賽爾數的大小相同，表面摩擦系數更大，理由在前面已經敘述過，這里不再贅述。

圖6 距入口180 °截面處Nu數變化

圖7 距入口180 °截面處變化

4 結論

1）通過研究不同螺紋纏繞圈數的螺旋流道內流體流動和傳熱特性，得到在同一雷諾數下，努賽爾數及表面摩擦系數的大小與內管螺紋纏繞圈數的多少成正比。

2）螺旋流道內管螺紋不同槽深和螺紋纏繞圈數對流體流動和傳熱也有影響，在相同的雷諾數下，螺紋槽較深及較多螺紋圈數的螺旋流道對流體擾動更加明顯，使得換熱效果更好，而且相比之下，表面摩擦系數也越大。

綜上可知，隨著流道內螺紋圈數及槽深的增加，可以大大提升換熱設備的效率，但是同時要考慮摩擦系數的增大，在產品的開發過程中需要綜合考慮兩者的影響。