螺旋套管式換熱器螺紋擾流及耦合傳熱數(shù)值模擬

王翠華，蘇方正，李光瑜，張文權(quán)，榮鐸，龔斌，吳劍華

（沈陽化工大學(xué) 機械與動力工程學(xué)院，遼寧 沈陽 110142）

能源緊缺問題是大家一直非常關(guān)注的問題，如何節(jié)約能源實現(xiàn)能源的高效利用，可以從經(jīng)濟學(xué)的角度出發(fā)［1］，對換熱設(shè)備進行優(yōu)化設(shè)計，從而達到節(jié)約能源的目的。基于上述的情況，采用螺紋管作為內(nèi)管應(yīng)用在螺旋套管式換熱器中可以實現(xiàn)螺紋和螺旋結(jié)構(gòu)對流體復(fù)合擾動［2］，達到強化傳熱的目的。

廣大學(xué)者對螺旋管傳熱性能的研究較多。王娟［3］等通過構(gòu)建螺旋管道內(nèi)流體的數(shù)學(xué)模型，運用理論方法研究了流體的換熱效果。戴旭東［4］等采用數(shù)值方法對不同截面等進行了相關(guān)研究。耿博［5］采用數(shù)值模擬的方法研究了螺紋螺旋管的傳熱效果，分析了結(jié)構(gòu)幾何參數(shù)對螺紋管傳熱性能的影響。

在實際應(yīng)用過程中，套管式換熱設(shè)備的傳熱既包括管程流體、殼程流體與換熱管壁面的對流換熱，又有換熱管的導(dǎo)熱［6］。本文基于螺旋套管式換熱器采用螺紋內(nèi)管和光滑內(nèi)管時管程流體與殼程流體耦合傳熱與流動的理論模型，進行數(shù)值模擬計算，并對計算結(jié)果進行詳細分析，對比速度場、溫度場分布情況，進而揭示套管式換熱器管程流體在耦合工況下的傳熱和流動特性［7］。

1 耦合傳熱計算模型

1.1 物理模型及計算方法

根據(jù)實際工程應(yīng)用建立三維模型，如圖1所示，內(nèi)管采用螺紋結(jié)構(gòu)，其中外管外徑為D=30 mm，壁厚為1 mm；內(nèi)管外徑為d=20 mm，壁厚為2 mm，螺旋半徑為R=300 mm，槽高為h=2.2 mm，槽距為P=20 mm，管長為l=1570.8 mm。

圖1 螺旋套管式換熱器模型

選擇銅作為管道材料，管程介質(zhì)為熱水，初始溫度為353 K，殼程為冷水，初始溫度為300 K，且兩者做逆流運動。外管壁面絕熱，內(nèi)管壁面為耦合條件。入口設(shè)置為速度入口，出口設(shè)置為壓力出口，湍流模型選擇標準k-ε模型，同時選擇加強壁面函數(shù)，速度和壓力的解耦采用SIMPLE算法，動量方程和能量方程采用二階迎風(fēng)格式離散化［8］，模型計算的收斂條件為質(zhì)量計算殘差絕對值小于1×10-5。

1.2 網(wǎng)格無關(guān)性檢驗及模型驗證

計算網(wǎng)格采用四面體網(wǎng)格，對近壁面處進行加密［9］，網(wǎng)格無關(guān)性檢驗采用網(wǎng)格數(shù)從128 W到285 W（共5套網(wǎng)格），不同網(wǎng)格時計算得到的管程流體的Nu和f的計算結(jié)果如圖2所示。綜合計算精度和計算效率，選取網(wǎng)格數(shù)為210 W的網(wǎng)格進行模擬。

圖2 網(wǎng)格無關(guān)性檢驗

為驗證上述數(shù)值模型和計算方法的可靠性，采用該方法分別對文獻［10］中的光滑螺旋管內(nèi)流體流動和傳熱進行數(shù)值分析，并與Schmidt的擬合關(guān)聯(lián)式進行對比，其對比結(jié)果分別如圖3所示。

圖3 Nu與f與Schmidt經(jīng)驗公式對比

由圖3中可見，本文所模擬光滑螺旋管的Nu和f與Schmidt實驗數(shù)值的平均誤差分別為3.25%和2.08%，驗證了本文數(shù)學(xué)模型和計算方法的可行性和準確性。

2 結(jié)果分析及討論

2.1 套管式換熱器換熱情況和流動阻力對比

圖4給出了2個螺旋套管式換熱器模型管程的Nu隨Re的變化曲線。從圖4中可以看出，內(nèi)管采用螺紋結(jié)構(gòu)極大地促進了管內(nèi)流體的換熱。在研究范圍內(nèi)，內(nèi)管采用螺紋管的Nu是內(nèi)管采用光滑管程Nu的1.76～1.9倍。

圖4 不同螺旋套管式換熱器管程Nu對比

圖5給出了不同模型管程的f隨Re的變化曲線。從圖5中可以看出，在研究范圍內(nèi)，內(nèi)管采用螺紋管時f是采用光滑管的6.77～7.38倍。隨著Re的增加，f的下降速度變緩。為進一步了解螺紋強化管程流體傳熱的特性，須分析管程流體速度場和溫度場的細觀信息。

圖5 不同螺旋套管式換熱器管程阻力系數(shù)f對比

2.2 管程流體速度場和溫度場分析

圖6給出了內(nèi)管分別采用光管和螺紋管時管程θ=180°橫截面的速度分布云圖。由圖6可見，當內(nèi)管采用螺紋管時，因為螺紋的存在改變了管程流體原有的速度分布，使得管內(nèi)流體在螺紋處速度較低，橫截面上最大軸向速度向外壁面偏移程度減小，截面的速度分布更為均勻。

圖6 管程θ=180° 橫截面速度分布圖

圖7給出了螺旋套管式換熱器采用螺紋內(nèi)管時管程流體速度跡線圖。由圖7可見，內(nèi)管采用螺紋管時管程流體受到離心力、螺紋擾流和螺旋槽導(dǎo)流的復(fù)合作用，流體在做曲線前進運動的同時又以曲線管道中心線為軸做螺旋運動，即流體做以曲線為旋轉(zhuǎn)中心軸的復(fù)合螺旋流動，流場結(jié)構(gòu)復(fù)雜，近壁面處流體分離和波動的頻率得到增強，減薄了邊界層，提高了內(nèi)壁面的傳熱效率。

圖7 螺紋內(nèi)管管程流體速度跡線圖

螺旋套管式換熱器采用光滑內(nèi)管、螺紋內(nèi)管時管程θ=180°截面的溫度分布云圖如圖8所示。由圖8可見，當采用螺紋內(nèi)管時，截面上溫度分布與光滑內(nèi)管明顯不同，不僅截面上最高溫度低于光滑內(nèi)管截面，而且最低溫度主要分布于螺紋兩側(cè)，結(jié)合其流場可知，正是螺旋通道離心力、螺紋擾流及螺旋槽導(dǎo)流三者的共同作用，改變了管程流體的流動形態(tài)，使得流體的混合更加充分，極大地增強了換熱效果，使其橫截面上的溫度分布更加均勻。

圖8 管程θ=180°截面溫度分布圖

2.3 流體介質(zhì)對管程流體的影響

改變管程流體為水蒸氣、空氣和30號透平油，殼程流體依舊設(shè)置為水進行耦合換熱模擬，研究螺紋強化管程流體傳熱的效果。流體介質(zhì)的物性參數(shù)如表1所示。

表1 流體介質(zhì)的物性參數(shù)

圖9分別給出了不同介質(zhì)管程Nu和Δp隨Re的變化曲線。從圖9（a）可見，流體介質(zhì)的不同對管程Nu有很大的影響，在同一Re下，30號透平油的管程Nu最大，其他依次是水、水蒸氣、空氣，在同一Re下流體采用30號透平油和采用空氣相比管程Nu提高了3.8～5.01倍，對比表1中不同流體介質(zhì)的物性參數(shù)可知，傳熱效果與流體的黏度有很大關(guān)系，其黏度越大，強化傳熱效果越好，而黏度的增大也使得流體阻力增大更為明顯。由圖9（b）可知，在同一Re下，30號透平油的管程進出口Δp最大，流體采用30號透平油和采用空氣相比管程進出口Δp提高33.6～33.67倍，隨著管程Re的增加這個比值變化不大。

圖9 不同管程流體介質(zhì)傳熱性能對比

3 結(jié) 論

1）螺紋內(nèi)管較光滑內(nèi)管具有更加優(yōu)越的傳熱性能。在研究范圍內(nèi)，內(nèi)管采用螺紋管時管程Nu是內(nèi)管采用光滑管的1.76～1.9倍，f是采用光滑管的6.77～7.38倍。

2）流體受離心力、螺紋擾流和螺旋槽導(dǎo)流的復(fù)合作用，內(nèi)管為螺紋管的螺旋套管式換熱器管程流體做以曲線為旋轉(zhuǎn)中心軸的復(fù)合螺旋流動，流場結(jié)構(gòu)復(fù)雜，邊界層得到進一步減薄，強化了管程流體的傳熱。

3）在同一雷諾數(shù)下，管程流體分別為30號透平油、水、水蒸氣、空氣4種不同物質(zhì)時，30號透平油的Nu最大，約為空氣的3.8～5.01倍，然后依次是水、水蒸氣、空氣。