扭轉圈數對內置齒狀螺旋元件換熱管傳熱性能的影響

摘 """""要：提出一種新型內置齒狀螺旋元件換熱管，應用Fluent軟件對在低雷諾數下內置齒狀螺旋元件換熱管內的單液相中速度場和溫度場進行數值模擬，探究其強化傳熱機理，并探討了不同扭轉圈數對換熱管傳熱性能的影響。結果表明：所提出的內置齒狀螺旋元件換熱管相比于現有研究的傳統強化傳熱元件的效率有所提高，在低雷諾數狀態下隨著扭轉圈數Q的增加，截面內速度和溫度均勻性增加，換熱管內流體的努塞爾數Nu和阻力系數f也隨之提升。綜合傳熱性能方面，PEC值均大于1，在Q=3.0的情況下換熱管的傳熱性能最好，PEC值達到1.416。

關 "鍵 "詞：數值模擬；扭轉圈數；傳熱性能；PEC值

中圖分類號：TQ021.3 """"""文獻標識志碼：A """"文章編號：1004-0935（20202024）0×12-1959-0×5

在工業領域內，換熱器等換熱設備的成本占據整個工業總資產大半比重。因此，增強換熱器的換熱效果對于節能方面具有不可忽視的作用。隨著科技的不斷進步以及國家對節能減排的重視，對改進換熱器換熱性能的技術需求也得到人們更大的關注。擾流元件存于管內的強化傳熱方式目前已經得到了廣泛的研究和應用^[1]，作為一種最便捷的強化傳熱技術，管內安置擾流元件本身加工制造較為經濟，安裝與使用便捷，并且無需安裝多余的換熱器，既節約了人工安裝成本，又降低了投資費用。

孟輝波等^[2]在湍流狀態Re=2"640～17"600下，采用恒熱流密度傳熱實驗與數值模擬相結合的方法，系統研究雷諾數Re和交錯角對Ross LPD型靜態混合器內湍流流動與傳熱性能影響，研究結果表明當葉片夾角為30°時，綜合傳熱性能系數具有最大值。張春梅等^[3]借助計算流體力學的方法，對某電廠所采用的大型SCR脫硝系統豎直煙道內流體流動進行數值模擬，分析SV型靜態混合元件排列方式對煙道內速度場、濃度場以及系統壓降的影響。喻九陽等^[4]采用標準雙方程湍流模型，得到混合器內流場變化和壓降情況，并繪制出了不同速度下的壓降變化曲線。KONOPACKI等^[5]研究了一種新型靜態混合片的換熱效率，并在其流動、溫度與換熱性能等方面進行探究，得到了強化傳熱的具體效果。

對前人研究成果探究可知，在換熱管內部插入擾流元件可以有效地對管壁處的熱邊界層造成破壞，提升管壁區域的換熱效率，增大管內流體的平均溫度，所以對新型擾流元件的研究和開發具有非常廣闊的前景^[6-9]。因此，在經典的SK型靜態混合元件的基礎上進行深入探究，特此提出了一種新型管內強化傳熱元件，通過數值模擬的方法，改變扭轉圈數，對該換熱管傳熱性能的影響進行研究，并提出傳熱性能的評價方法。

1 "物理模型及研究方法

1.1 "內置齒狀螺旋元件換熱管幾何結構

設計的內置齒狀螺旋元件換熱管組成元件為1根主管、1根副管及4個混合元件，如圖1所示。

在換熱管內布置元件從兩相入口方向開始按順序排列為第1、2、3、4元件，4個扭轉片經過扭轉后并開齒，最終組成混合元件，如圖2所示。每個扭轉元件長度為L，寬徑比為2L/D，內置齒狀螺旋元件換熱管的幾何尺寸如表1所示。

1.2 "模擬方案

研究中設計的物理模型采用Solidworks建立，數值模擬主要通過Fluent軟件進行。換熱管內流質為液態水，水的物性參數如表2所示。

流體流動狀態的封閉控制方程包括有連續性方程、動量方程與能量方程。雷諾數指入口處流體平均流速下雷諾數，表達式如下：

式中：v—流體的進口平均速度；

D—換熱管內徑；

""""""μ—流體的動力黏度。

1.3 "綜合性能指數PEC

管內插入擾流元件可以有效提高管道的換熱性能，但同時也增加了流體流經管道時的阻力，若只追求換熱效果的提升而忽視阻力的增加，那么系統功耗會大大增加，所以在實際應用中應綜合分析二者的相對大小。綜合傳熱性能評價因子同時考慮了Nu和阻力系數的影響，可以有效地評價管道的換熱性能，其具體表達式為：

（2）

式中：Nu、"f—帶有插入元件管道的努塞爾數和阻力系數；

Nu₀、f₀—空管的努塞爾數與阻力系數^[10]。

換熱努塞爾數Nu計算式如下：

（3）

式中：λ—換熱管內流體的導熱系數，W·m^-1·K^-1；

h—管壁面對流換熱系數，W·m^-2·K^-1；

D—換熱管內徑。

換熱管內對流傳熱系數計算式如下：

（4）

式中：Q—總換熱量；

S—總換熱面積；

?t—恒壁溫工況下，管內對流傳熱溫度差，在恒壁溫條件下采用

對數平均溫差。

?t表達式如下：

（5）

式中：T_out—換熱管出口處流體平均溫度；

T_in—換熱管入口處流體平均溫度；

T_w—換熱管的壁面溫度。

將λ、h代入到公式（3）中，得到努塞爾數Nu。

摩擦阻力系數f的計算式如下：

（6）

式中：?p—換熱管內進出口流體的壓力差；

ρ—管內流體的密度；

—管內流體的平均速度；

L—換熱管長度。

從PEC的表達式中可以看出，換熱管努塞爾數Nu增長的幅度大于管內摩擦阻力增長的幅度，換熱管就被認為達到了強化換熱的效果。需要注意的是，當綜合性能評價因子PEC在1以上時，所采取的強化傳熱手段才具有實施意義，并且PEC值越大表明強化傳熱的效果越好，越具有在工程上的實用價值。如果PEC值等于1時，則表明采用強化傳熱技術的換熱管與普通的換熱管的換熱效果等同；而當PEC值小于1時，則表明研究中所采用的強化傳熱技術換熱管的強化換熱效果要低于普通換熱管，此時建議使用普通換熱管。

1.4 "網格無關性檢驗

模擬結果的準確性與網格的數量與質量有著密切的關系，因此正式的模擬運算前，網格無關性驗證必不可少。通過調整網格的數量與大小，在雷諾數Re=800下對內置齒狀螺旋元件換熱管進行模擬，計算其努塞爾數，結果如圖3所示。由圖3可知，當網格數量在低雷諾數（Re=800）達到240萬左右時，努賽爾數Nu的變化上下差值在0.01以內，所以為保障數值模擬計算結果的準確性，綜合考慮計算耗時與節約運算資源，將選用網格數量在240萬的模型進行模擬。

2 "結論分析與討論

在Re=800的條件下，對不同扭轉圈數（Q）的傳熱元件性能進行數值模擬，模擬分析從速度場與溫度場、換熱努塞爾數Nu、阻力系數f以及綜合性能評價指數PEC"4方面進行。

2.1 "速度場與溫度場

由流體力學可知，在流體換熱過程中，管內流速、邊界層厚度對流體溫度影響頗大，換熱管換熱性能很大程度上受換熱管內部流速和壓降所決定。在Re=800～1"600時，管內的速度分布圖與溫度分布規律基本相同。探討了SK型換熱管和扭轉圈數Q為1、2、3、4的內置齒狀螺旋元件換熱管。在雷諾數Re=800時，分析了SK型換熱管、不同扭轉圈數內置齒狀螺旋元件換熱管在第4個元件出口截面處的軸向截面速度分布，結果如圖4所示。在Re=800時，分析了SK型換熱管和不同扭轉圈數內置齒狀螺旋元件換熱管在元件末端截面處速度分布和溫度分布，結果如圖5、圖6所示。

由圖4可知，管內流體由螺旋方向的引導，沿著外螺旋的旋轉方向和內部齒狀扭轉元件的分割作用，形成整體多股流螺旋運動，內置齒狀扭轉元件換熱管截面內速度比SK型換熱管更為均勻。引入新型強化傳熱元件后，管壁處高速區范圍均比SK型換熱管更大，邊界層更薄。其隨著傳熱元件扭轉圈數的增多，截面內速度更加均勻，管壁處高速區范圍更大，邊界層更薄。

由圖5可以看出，換熱管與SK型換熱管相比，高流速區更靠近管壁，在近壁處，速度邊界層相對薄。隨內置齒狀螺旋元件換熱管扭轉圈數Q的增大，元件結構對流體的干擾強度增加，中心流體與管壁流體相互流動，中心區域流體速度也在提高。

由圖6可以看出，內置齒狀螺旋元件換熱管的溫度分布較SK型換熱管更加均勻，管內流體與管壁的溫度梯度更小。元件結構使流體打破了影響熱量傳遞的溫度分層，讓換熱管壁的熱量更加高效地被流體吸收。隨著扭轉圈數Q的增大，換熱管內溫度梯度更小，溫度更加均勻。

2.2 "換熱努塞爾數Nu

為了探究新型內置齒狀螺旋元件換熱管不同扭轉圈數條件下的強化換熱效果，對其努賽爾數進行數值計算，努賽爾數表達式見式（3），并與SK型換熱管的努塞爾數進行對比。不同扭轉圈數Q下的換熱管努賽爾數Nu如圖7所示，Q=0時為SK型換熱管的努塞爾數。

由圖7可以看出，內置齒狀螺旋元件換熱管比SK型換熱管Nu要高，內置齒狀螺旋元件換熱管努塞爾數Nu隨著扭轉圈數的增大而升高。SK型換熱管努塞爾數為25.601"7，圈數為2時努塞爾數為30.797"7，圈數為5時努塞爾數為39.973"8，內置齒狀螺旋元件換熱管Nu數為SK型換熱管的1.20～1.56倍，說明內置齒狀螺旋元件換熱管比SK型換熱管換熱效果更好。隨著圈數Q的變大，努塞爾數也隨之增大，換熱管強化傳熱能力也在增大。

2.3 "阻力系數f

關于不同條件下換熱管內流體的流動阻力特性，可依據模擬運算中管內進出口壓力降進一步計算得到，結果如圖8所示，Q=0時為SK型換熱管的阻力系數f。

由圖8可以看出，SK型換熱管的阻力系數f比內置齒狀螺旋元件換熱管要小，換熱管阻力系數f隨圈數Q增大而增大。SK型換熱管阻力系數f為0.552"5，圈數為2時阻力系數f為0.687"2，圈數為5時阻力系數f為2.090"8，內置齒狀螺旋元件換熱管阻力系數f為SK型換熱管的1.24～3.78倍，究其原因可能因為齒狀螺旋元件的外棱使靠近管壁的流體的流動速度增加，進而加大了流體的動力損失。

2.4 "綜合性能評價因子PEC值

基于模擬數據，計算了SK型換熱管和內置齒狀螺旋元件換熱管的綜合性能評價因子PEC，結果如圖9所示。由圖9可以看出，PEC值隨圈數Q的增大呈近似拋物線關系，SK型換熱管和內置齒狀螺旋元件換熱管PEC值始終大于1，而且內置齒狀螺旋元件換熱管PEC值要大于SK型換熱管。SK型換熱管PEC值為1.255，圈數為5圈時PEC值最低為1.257，圈數為3圈時PEC值最高為1.416，內置齒狀螺旋元件換熱管的PEC值是SK型的1.00～1.13倍。因此，內置齒狀螺旋元件換熱管綜合性能優于SK型換熱管，在圈數為3時內置齒狀螺旋元件換熱管綜合性能最佳。

3 "結 論

1）新型內置齒狀螺旋元件換熱管在結構設計上相對于前人研究的基礎上具有一定創新性，傳熱效果進一步獲得提升。

2）隨著扭轉圈數的增加，截面內速度和溫度均勻性增加，換熱管內流體的努塞爾數Nu和阻力系數f也隨之提升。當Q=3.0的情況下換熱管的綜合性能最好，PEC值達到1.416，綜合性能優于其他 ""3種扭轉圈數的換熱管。

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Effect of the Number of Torsion Turns"on the"Heat Transfer Performance"of"Heat Exchanger Tubes with Built-In Toothed Spiral Elements

TIAN He¹， YE"Han-yu²， ZHANG"Qing-guan， SUN"Ming

（1."Shenyang University of Chemical Technology， Shenyang"Liaoning 110142，，"China；2. Shenyang University of Chemical Technology， Liaoning Shenyang"110142，China）

Abstract：""A new type of heat exchanger tube with built-in toothed helical element was"proposed， and numerical simulations of velocity and temperature fields in the single liquid phase inside the heat exchanger tube with built-in toothed helical element were"carried out by applying Fluent software at low Reynolds number to investigate the mechanism of its enhanced heat transfer， and the effects of different numbers of torsion turns on the heat transfer performance of the tube were"also explored. The results showed"that the efficiency of the heat exchanger tube with built-in toothed helical elements proposed in this paper was"improved compared with the conventional enhanced heat transfer elements in the existing studies， and the Nussell number Nu"and drag coefficient f"of the fluid inside the heat exchanger tube were"also enhanced in the low Reynolds number state with the increase of the number of twisted turns Q， which increased"the uniformity of the velocity and temperature in the cross-section. For the integrated heat transfer performance， the PEC values were all greater than 1. The heat transfer performance of the heat exchanger tube was best when Q=3.0 with the"PEC"value of 1.416.

Key words："Numerical simulation; Number of torsion turns; Heat transfer performance; PEC"value