雷 雪,劉 闖,曹 凱
(1.普瑞特冶金技術(shù)(中國)有限公司,上海 201108;2.中國石油吉林石化公司 化肥廠,吉林 吉林 132021;3.中國石油吉林石化公司 建修公司,吉林 吉林 132021)
能源危機以來,強化傳熱技術(shù)得到了迅速的發(fā)展和廣泛的工業(yè)應用,在能源的開發(fā)和利用方面起著十分重要的作用。強化傳熱技術(shù)由于其對于降低能耗及提高能源利用效率的重要意義,已經(jīng)得到了很好的發(fā)展。經(jīng)過多年的研究和工程應用,出現(xiàn)了包括管內(nèi)、管外等多種強化傳熱技術(shù),而且其中有很多已經(jīng)應用于各個領域[1-2]。
波節(jié)管換熱器是一種典型的強化傳熱設備,其應用范圍廣泛,傳熱性能優(yōu)良,傳熱元件為波節(jié)管。主要應用在無相變傳熱領域,目前其設計、生產(chǎn)技術(shù)已基本成熟。張偉瑋[3],馬小晶[4],徐建民[5],Amano[6]以及Balcilar[7]等均是通過數(shù)值模擬的方法對波節(jié)管內(nèi)的流動及傳熱特性進行研究,得出了很多具有指導意義的結(jié)論。
波節(jié)管流道由波峰和直邊段組成,二者周期性分布,換熱管對于傳熱的強化主要由波峰結(jié)構(gòu)引起。直邊段雖然能夠提供突然縮小的節(jié)流作用,但其類似普通光滑換熱管的這種結(jié)構(gòu)對整個波節(jié)管強化傳熱做出的貢獻還是很有限。
結(jié)合內(nèi)螺紋波節(jié)管強化傳熱作用較好,加工工藝簡單,制造成本低等優(yōu)點,擬通過在波節(jié)管直邊段加工內(nèi)螺紋來實現(xiàn)強化傳熱的目的。目前對于內(nèi)螺紋換熱管的研究主要集中在沸騰傳熱強化的方向,對單相對流的強化傳熱數(shù)值模擬比較少,典型的有孫東亮[8],韓占忠[9]等。
作者將波節(jié)管和內(nèi)螺紋管2種形式的換熱管結(jié)合,提出了一種新型內(nèi)螺紋波節(jié)強化換熱管。
內(nèi)螺紋波節(jié)管以普通波節(jié)管為基管,在其直邊段加工標準內(nèi)螺紋,這樣的設計充分利用了2個波峰之間直邊段的結(jié)構(gòu),增加直邊段流體的擾動,進一步提高換熱管的傳熱性能,而且能夠增大管內(nèi)換熱面積。此外,由于螺紋尺寸較小,這種新型換熱管對管內(nèi)流動阻力的增加較小,內(nèi)螺紋波節(jié)管結(jié)構(gòu)見圖1。
圖1 內(nèi)螺紋波節(jié)管結(jié)構(gòu)
內(nèi)螺紋波節(jié)管是一種新型強化傳熱管,這種換熱管對傳熱的強化比例,強化傳熱機理等都不得而知。作者采用Fluent軟件模擬內(nèi)螺紋波節(jié)管的傳熱和流動特性,以了解內(nèi)螺紋波節(jié)管管內(nèi)流體的速度分布和溫度分布規(guī)律(速度場和溫度場),分析其強化對流傳熱的機理。在相當尺寸、邊界條件、流體介質(zhì)等條件下,比較內(nèi)螺紋波節(jié)管和普通波節(jié)管的傳熱和流動效果,直觀地說明內(nèi)螺紋波節(jié)管的強化傳熱效果。
內(nèi)螺紋波節(jié)管模型幾何尺寸見圖2。為了使流動處于充分發(fā)展區(qū),建立了10個波節(jié)的幾何模型。同時,參考常用的普通波節(jié)管尺寸,選擇長度較長的17 mm直邊段進行建模。這樣處理的目的是為了使新型換熱管的螺紋段更長,凸顯螺紋段的影響。為了便于比較建立了普通波節(jié)管的模型,其截面尺寸與內(nèi)螺紋波節(jié)管相同。
圖2 內(nèi)螺紋波節(jié)管幾何結(jié)構(gòu)
內(nèi)螺紋波節(jié)管幾何模型直邊段長度l1=17 mm,波峰段長度l2=13 mm,進口直邊段長度L=40 mm,波峰直徑D2=25 mm,直邊段直徑D1=19 mm,壁厚δ=1.2 mm,螺紋牙腳α=60°,根據(jù)標準螺紋的尺寸,建立3種結(jié)構(gòu)的內(nèi)螺紋,螺紋齒高分別為1、0.75、0.5 mm。螺紋尺寸參照標準選取[10]。普通波節(jié)管在直邊段沒有螺紋,其余尺寸均相同。
考慮到流體模擬計算域為流體區(qū)域,因此內(nèi)螺紋波節(jié)管模型為在波節(jié)管直邊段加外螺紋。由于螺紋尺寸較小,在螺紋處用尺寸更小的非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格。對不同螺紋尺寸的內(nèi)螺紋波節(jié)管和普通波節(jié)管進行各自劃分不同數(shù)量的網(wǎng)格并進行網(wǎng)格無關(guān)解分析,最終確定1#內(nèi)螺紋波節(jié)管網(wǎng)格數(shù)為7.95×105,2#內(nèi)螺紋波節(jié)管網(wǎng)格數(shù)為1.43×106,3#內(nèi)螺紋波節(jié)管網(wǎng)格數(shù)為2.53×105,普通波節(jié)管網(wǎng)格數(shù)為8.01×104。
定義入口為速度入口(Velocity-inlet)邊界,給定入口速度以及20 ℃入口流體溫度;出口為自由出口(Outflow)邊界;壁面定義為恒定壁面溫度邊界,為了使傳熱效果更加明顯,取較高的壁面溫度80 ℃??紤]到在模擬的溫度范圍內(nèi)水的物性受溫度影響也比較小,因此,模擬時給定水的物性為定值,即取20℃水的物性參數(shù)作為整個模擬的物性參數(shù)。
計算模型里勾選能量方程選項(Energy)。黏度模型選擇標準k-epsilon模型,標準壁面方程。選擇壓力速度求解器為SIMPLE,動量、能量方程求解方法選擇二階迎風格式(Second Order Upwind)。計算過程中監(jiān)測出口的溫度值,以此來判斷計算是否收斂。定義收斂條件為默認條件,即能量方程殘差<1×10-6,其余方程<1×10-3。
為了便于比較,對進口流量為1.5、2.0、2.5、3.0、3.5、4.0、4.5、5.0 m3/h時普通波節(jié)管和內(nèi)螺紋波節(jié)管管內(nèi)傳熱情況分別進行模擬。
進口流量為5.0 m3/h時內(nèi)螺紋波節(jié)管內(nèi)中心線溫度分布見圖3,橫坐標為中心線上的溫度監(jiān)測點與換熱管進口中心點的距離,縱坐標為換熱管中心線溫度。
L/m圖3 內(nèi)螺紋波節(jié)管中心線溫度
由圖3可見,流體流入管內(nèi),由于管壁的熱傳導,靠近管壁的流體首先得到加熱,此時換熱管中心的溫度還基本維持在進口溫度。隨著加熱的進行,管內(nèi)的對流換熱使管中心的流體被加熱,溫度升高。反應在圖3上即是,熱量換熱管中心線上流體溫度先維持穩(wěn)定,然后逐漸升高,最后被加熱到300 K以上。
2種換熱管在相同進口流量(5.0 m3/h)下,中心截面上流體流線分布見圖4。
v/(m·s-1)a 普通波節(jié)管
v/(m·s-1)b 內(nèi)螺紋波節(jié)管圖4 2種類型換熱管管內(nèi)流體流線圖
從圖4可以看出,2種換熱管內(nèi)流體在波峰位置處的擾動,不同之處在于普通波節(jié)管在直邊段區(qū)域管內(nèi)流體流動基本與軸線平行,而內(nèi)螺紋波節(jié)管由于內(nèi)部螺紋的作用,在直邊段也存在一定程度的擾動。觀察流線分布圖,可以清楚地了解內(nèi)螺紋波節(jié)管管內(nèi)流動情況,換熱管內(nèi)部這種摻雜了擾動、漩渦的復雜流動,不僅破壞流動邊界層,而且使得管內(nèi)流動的湍流程度更大,使管內(nèi)傳熱得到強化。
截取2種換熱管充分湍流區(qū)域一個波節(jié)的速度云圖,結(jié)果見圖5。由圖5可以更直觀的看出兩者在直邊段區(qū)域流動的區(qū)別,內(nèi)螺紋使這一部分的流體擾動更加劇烈,而且在遠離管壁的一定區(qū)域內(nèi),流體的擾動依然存在。這種擾動破壞邊界層,使得直邊段的傳熱更加劇烈,也就在一定程度上增強了整根換熱管的傳熱。而且這種復雜的流動使得流體結(jié)垢在原換熱管基礎上變得更加困難,降低污垢熱阻,使傳熱過程得到更進一步的強化。
v/(m·s-1)a 普通波節(jié)管
v/(m·s-1)b 內(nèi)螺紋波節(jié)管圖5 2種類型換熱管局部速度分布圖
考慮到模型波節(jié)管的壁厚比較薄,選取不會破壞管壁結(jié)構(gòu)的3種不同幾何尺寸的標準內(nèi)螺紋進行研究,并對比了其傳熱性能的好壞,3種螺紋齒高分別為1、0.75、0.5 mm,編號分別為1#、2#、3#。從Fluent計算結(jié)果中取出壁面熱流量以及出口溫度的數(shù)據(jù),然后求出管內(nèi)對流換熱系數(shù),進而得到Nu隨流量的變化。不同換熱管的Nu隨體積流量的變化規(guī)律見圖6,不同換熱管Nu隨Re的變化規(guī)律見圖7。
qV/(m3·h-1)圖6 Nu隨體積流量變化
Re圖7 Nu隨Re變化
從圖6、圖7中可以看出,隨著流量和Re的增加,管內(nèi)Nu呈增長狀態(tài)。在相同的流量下,內(nèi)螺紋波節(jié)管的Nu大于普通波節(jié)管,而且隨著流速的增大,這種強化作用更加明顯。3種不同螺紋的內(nèi)螺紋波節(jié)管之間的Nu相差不多,但從具體數(shù)據(jù)來看(見表1),在相同的管內(nèi)流量條件下,1#內(nèi)螺紋波節(jié)管強化傳熱效果最好,3#最差。這是由于1#管的螺紋距更大,齒高更大,對管內(nèi)流體的擾流作用更強,使得換熱管傳熱能力增強。
表1 換熱管Nu數(shù)對比
普通波節(jié)管及3種尺寸的內(nèi)螺紋波節(jié)管進出口壓降與管內(nèi)流體體積流量的關(guān)系見圖8。根據(jù)計算結(jié)果,普通波節(jié)管和內(nèi)螺紋波節(jié)管進出口壓降均隨進口流量的增大而增大,而且增加速度越來越快。圖中呈現(xiàn)出另外一種變化趨勢,即內(nèi)螺紋波節(jié)管的進出口壓降隨著螺紋牙高度的減小而減小,而且壓降值都大于普通波節(jié)管,1#、2#、3#內(nèi)螺紋波節(jié)管與普通波節(jié)管壓降分別相差9.98%,4.98%和1.88%。管內(nèi)螺紋引入了局部阻力損失,螺紋越深,引入的局部阻力系數(shù)越大,換熱管進出口壓降也就越大。
qV/(m3·h-1)圖8 壓降隨流量變化
波節(jié)管和3種結(jié)構(gòu)內(nèi)螺紋波節(jié)管管內(nèi)摩擦因子f隨雷諾數(shù)Re的變化情況見圖9。從圖9可以看出,隨著Re的增大,4根換熱管的管內(nèi)摩擦因子均呈下降趨勢。1#內(nèi)螺紋波節(jié)管摩擦因子一直保持最大,普通波節(jié)管為最小。3根內(nèi)螺紋波節(jié)管管內(nèi)摩擦因子相差不大,相差約0.01,而三者之中摩擦因子最小的3#內(nèi)螺紋波節(jié)管摩擦因子比普通波節(jié)管大0.09,這一差值相對來說比較大。這說明在內(nèi)螺紋波節(jié)管直邊段加工內(nèi)螺紋對于管內(nèi)阻力的影響比較明顯,在一定程度上增大了波節(jié)管的管內(nèi)摩擦因子??紤]到隨著螺紋牙高度的增加,Nu的增加很微小,因此,螺紋牙較低的內(nèi)螺紋換熱管具有較好的綜合性能。
Re圖9 摩擦因子隨流量變化
通過對強化傳熱的波節(jié)管和內(nèi)螺紋管的研究,結(jié)合兩者的特點,提出一種新型強化傳熱的內(nèi)螺紋波節(jié)管。這種換熱管綜合了波節(jié)管和內(nèi)螺紋換熱管的特點,在波節(jié)管強化傳熱的基礎上進一步提高換熱管的傳熱性能。采用數(shù)值模擬的方法對內(nèi)螺紋波節(jié)管內(nèi)的流體狀態(tài)和傳熱性能進行了研究,并和普通的波節(jié)管進行了對比分析,主要結(jié)論如下。
(1) 在內(nèi)螺紋波節(jié)管與普通波節(jié)管中,流體速度沿著軸線方向均呈周期性變化,但由于內(nèi)螺紋波節(jié)管在直邊段存在內(nèi)螺紋,這一區(qū)域的湍流更加劇烈,而普通波節(jié)管直管段速度變化則沒有呈現(xiàn)出這種擾動,速度的變化比較單一。隨著流速的增大,2種換熱管近管壁處等溫線越來越密,說明傳熱系數(shù)隨著流體速度的增大而增大。出口處的低溫區(qū)域也隨著流速的增大而增大,說明管內(nèi)冷流體的出口溫度減?。?/p>
(2) 與普通波節(jié)管相比,內(nèi)螺紋波節(jié)管對于管內(nèi)的傳熱有明顯的強化,其管內(nèi)Nu較普通波節(jié)管增大了約10%,而且隨著管內(nèi)流量的增加,強化效果有越來越明顯的趨勢。不同幾何結(jié)構(gòu)內(nèi)螺紋波節(jié)管對比發(fā)現(xiàn),管內(nèi)螺紋螺距更大,螺紋牙更高,螺紋造成的管內(nèi)流體的擾流作用更強,強化傳熱作用更強;
(3) 內(nèi)螺紋波節(jié)管進出口壓力損失較普通波節(jié)管大,其增大程度也與螺紋高度有關(guān),螺紋牙越高,壓降越大??紤]到隨著螺紋牙高度的增加,Nu的增加很微小,因此,螺紋牙較低的內(nèi)螺紋換熱管具有較好的綜合性能。
[ 參 考 文 獻 ]
[1] 林宗虎. 管式換熱器中的單相流體強化傳熱技術(shù)[J].自然雜志,2013,35(5):313-319.
[2] 齊洪洋,高磊,張瑩瑩,等.管殼式換熱器強化傳熱技術(shù)概述[J].壓力容器,2012,29(7):73-78.
[3] 張偉瑋,韓聰,韓懷志,等.波節(jié)形狀對波節(jié)管結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和傳熱特性的影響[J].哈爾濱工業(yè)大學學報,2013,45(7):57-62.
[4] 馬小晶,胡申華,閆亞嶺.波節(jié)管強化傳熱的三維數(shù)值模擬分析研究[J].水力發(fā)電,2012,38(1):87-90.
[5] 徐建民,王曉清.波節(jié)管管內(nèi)流動和傳熱的數(shù)值模擬[J].石油化工設備,2008,37(1):4-7.
[6] R S Amano.A numerical study of laminar and turbulent heat transfer in a periodically corrugated wall channel [J].J Heat Transfer,1985,107(3):564-569.
[7] M Balcilar,K Aroonrat,A S Dalkilic,et al.A numerical correlation development study for the determination of Nusselt numbers during boiling and condensation of R134a inside smooth and corrugated tubes [J].International Communications in Heat and Mass Transfer,2013,48:141-148.
[8] 孫東亮,樊菊芳,王良璧.內(nèi)螺紋肋管內(nèi)流動與傳熱的數(shù)值模擬[J].工程熱物理學報,2005,26(3):483-485.
[9] 韓占忠,姚仲鵬,張軍,等.單頭螺旋槽紋管管內(nèi)流動和換熱的數(shù)值模擬[J].北京理工大學學報,2001,21(3):292-295.
[10] 成大先.機械設計手冊[M].北京:化學工業(yè)出版社,2007:17-21.