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(武漢工程大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院， 湖北 武漢 430205)

熱交換器廣泛應(yīng)用于石油、化工、能源、動力、冶金等工業(yè)部門。隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，上述行業(yè)對熱交換器的性能要求也越來越高。探索各種強(qiáng)化傳熱技術(shù)，設(shè)計出新型高效緊湊的熱交換器，成為現(xiàn)代工業(yè)中亟待解決的課題之一，也是開發(fā)利用新能源、推進(jìn)節(jié)能減排的迫切任務(wù)之一，而采用強(qiáng)化傳熱技術(shù)是實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的最有效途徑。

自普朗特提出的邊界流概念在對流換熱問題中得到成功應(yīng)用以來，各種對熱交換器強(qiáng)化傳熱的研究層出不窮。從早先提出的基于邊界層流動的強(qiáng)化傳熱，到后來劉偉等人提出的核心流強(qiáng)化傳熱，管內(nèi)插入物一直是重點(diǎn)的研究對象。劉偉等人[1]著重研究了管內(nèi)插入十字形柵板在核心流區(qū)域?qū)Q熱的影響。楊坤等人[2]著重研究了管內(nèi)插入多孔介質(zhì)在核心流區(qū)域?qū)Q熱的影響。在以上研究中，主要對內(nèi)插柵板及多孔介質(zhì)進(jìn)行了深入的研究，而對于內(nèi)插螺旋彈簧在核心流區(qū)段的研究卻很少。在管內(nèi)插入螺旋彈簧是一種典型而簡單易行的強(qiáng)化傳熱手段，具有成本低廉、操作方便、金屬消耗量很少的特點(diǎn)。在管內(nèi)插入彈簧后，管內(nèi)的流體在彈簧的阻礙作用下產(chǎn)生二次流，可促進(jìn)邊界層流區(qū)與核心流區(qū)域進(jìn)行充分的混合。

文中通過實(shí)驗(yàn)和FLUENT模擬實(shí)驗(yàn)裝置構(gòu)建數(shù)值模型計算這兩種方法，分析了不同圈徑螺旋彈簧管與光管的傳熱特性，同時實(shí)驗(yàn)結(jié)果也驗(yàn)證了數(shù)值模擬的結(jié)果，即內(nèi)插不同圈徑螺旋彈簧換熱管在核心流區(qū)域具有不同程度的強(qiáng)化傳熱優(yōu)勢。

1 傳熱特性實(shí)驗(yàn)簡介

1.1 實(shí)驗(yàn)方法

實(shí)驗(yàn)時以冷水、熱水作為流體介質(zhì)，冷水走殼程，熱水走管程。使用溫度傳感器、壓力傳感器、電磁流量計等分別測量管程、殼程的進(jìn)、出口溫度，進(jìn)、出口壓力以及體積流量。依據(jù)所讀取的數(shù)據(jù)換算出強(qiáng)化傳熱特性，計算出雷諾數(shù)Re與努塞爾數(shù)Nu的關(guān)系。

1.2 實(shí)驗(yàn)材料

光管規(guī)格(外徑×厚度×長度)為?20 mm×0.8 mm×1 820 mm。不同圈徑D的內(nèi)插螺旋彈簧規(guī)格(絲徑×節(jié)距×長度)為1 mm×6 mm×1 820 mm，材質(zhì)為普通碳素鋼，結(jié)構(gòu)尺寸示意見圖1。圖1中，Do為管道外徑，Di為管道內(nèi)徑，δ為光管壁厚，D為彈簧中徑，d為彈簧絲徑，t為彈簧節(jié)距，L為管子長度，mm。

圖1 內(nèi)插螺旋彈簧管尺寸示圖

文中示例中，Do=20 mm、Di=18.4 mm、δ=0.8 mm、L=1 820 mm、d=1 mm、t=6 mm，有3種彈簧中徑進(jìn)行模擬計算，即D分別為12 mm、14 mm、16 mm。

1.3 實(shí)驗(yàn)儀器

主要實(shí)驗(yàn)儀器包括溫度傳感器、壓力傳感器和電磁流量計等。

1.4 實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)裝置由高溫水回路、低溫水回路、測量控制系統(tǒng)和熱交換器4部分構(gòu)成，實(shí)驗(yàn)流程見圖2。

1.5 實(shí)驗(yàn)步驟

(1)安裝各種實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備，檢查安裝無誤后，校正儀器誤差。

(2)熱水箱、冷水箱中充水。

1.水箱 2.離心泵 3.閥門 4.加熱用鍋爐 5.電磁流量計 6.壓力傳感變送器 7.溫度測量儀 8.實(shí)驗(yàn)用設(shè)備 9.冷流出口 10.熱流出口 11.冷流入口 12.熱流進(jìn)口圖2 內(nèi)插螺旋彈簧換熱管傳熱特性實(shí)驗(yàn)流程

(3)打開控制柜的總電源開關(guān)，開啟各個控制開關(guān)，確認(rèn)能夠打開各實(shí)驗(yàn)裝置。

(4)啟動熱水箱中加熱棒，通過數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)檢測管程溫度。當(dāng)管程溫度恒定在60 ℃左右后，維持熱水溫度恒定。

(5)開啟離心泵，使熱交換器殼程流體與管程流體流動，檢查實(shí)驗(yàn)裝置的密封性。

(6)調(diào)節(jié)殼程流量，使殼程的冷水體積流量保持在8 m3/h左右。

(7)打開管程流量控制閥門，依次改變管程熱水的體積流量(0.4～1.4 m3/h),當(dāng)各溫度值基本穩(wěn)定不變時,記錄所有測量數(shù)據(jù)。

(8)依次更換熱交換器實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?重復(fù)以上操作步驟,直到完成所有實(shí)驗(yàn)。

1.6 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圈徑分別為?12 mm、?14 mm、?16mm的螺旋彈簧插入換熱管后，在相同Re下，不同圈徑螺旋彈簧管內(nèi)與光管的傳熱特性比較曲線見圖3。

圖3 不同圈徑螺旋彈簧管與光管傳熱特性曲線

分析圖3：①不同圈徑螺旋彈簧管與光管傳熱特性對比。隨著管內(nèi)Re的增加，光管和內(nèi)插螺旋彈簧換熱管的Nu均呈現(xiàn)逐步增加的趨勢，并且不同圈徑內(nèi)插螺旋彈簧管的Nu增大的程度明顯高于光管。內(nèi)插入螺旋彈簧直徑分別為?12 mm、?14 mm、?16 mm的換熱管的平均Nu比光管的平均Nu增加幅度為5%～20%。②不同圈徑螺旋彈簧管之間傳熱特性對比。在相同Re情況下，內(nèi)插圈徑較大的?16 mm螺旋彈簧，彈簧圈徑貼近管壁面，換熱管的Nu較小，表明換熱管的換熱較弱。內(nèi)插圈徑較小的?12 mm螺旋彈簧，彈簧圈徑接近管子中心線位置，換熱管的Nu較大，表明換熱管的換熱能力較強(qiáng)。

2 傳熱特性數(shù)值模擬[3-17]

數(shù)值模擬采用FLUENT，使用內(nèi)插螺旋彈簧管作為強(qiáng)化傳熱管，分別進(jìn)行了普通光管的傳熱分析、內(nèi)插螺旋彈簧管與普通光管的對比分析以及內(nèi)插不同圈徑螺旋彈簧管的對比分析，得出了內(nèi)插螺旋彈簧管在核心流區(qū)域強(qiáng)化傳熱的規(guī)律。

2.1 模型建立及網(wǎng)格劃分

對圖1所示的單根光管及內(nèi)插螺旋管進(jìn)行模型建立。選用103 086個網(wǎng)格作為本次模擬實(shí)驗(yàn)網(wǎng)格劃分的個數(shù)，網(wǎng)格劃分示意圖見圖4。

圖4 光管及內(nèi)插螺旋彈簧管網(wǎng)絡(luò)劃分示圖

2.2 邊界條件

(1)光管 入口邊界條件設(shè)置為速度入口，出口條件設(shè)置為自由出口。壁面換熱條件設(shè)置為恒定壁溫300 K。

(2)內(nèi)插螺旋彈簧管 管內(nèi)插彈簧表面設(shè)置為絕熱表面，其余初始條件與邊界條件的設(shè)置與光管完全相同。

(3)不同圈徑內(nèi)插螺旋彈簧 管內(nèi)插彈簧表面設(shè)置為絕熱表面，各組不同圈徑彈簧管初始條件與邊界條件的設(shè)置與光管完全相同。

2.3 湍流模型

考察本次模擬實(shí)驗(yàn)Rei的取值范圍，在模擬實(shí)驗(yàn)計算中采用標(biāo)準(zhǔn)的k-ε模型[3]。

2.4 模擬計算結(jié)果

2.4.1光管管內(nèi)速度場及溫度場

Rei=4 000時，光管管內(nèi)的溫度、速度分布云圖見圖5。

圖5 Rei=4 000時光管的溫度和速度分布云圖

從圖5a可以看出，光管管壁溫度較低，壁面附近溫度梯度較大，而在管道中間核心流區(qū)域流體的溫度梯度較小，說明換熱能力比較弱。

從圖5b可以看出，光管管壁速度較小，壁面附近速度梯度較大，而在管道中間核心流區(qū)域流體的速度梯度較小，說明流動的擾動性較小。

2.4.2內(nèi)插螺旋彈簧管內(nèi)速度場及溫度場

管內(nèi)雷諾數(shù)Rei=4 000條件下，內(nèi)插螺旋彈簧管的溫度、速度分布云圖見圖6。

從圖6可以看出，內(nèi)插螺旋彈簧管核心流區(qū)段因流體受到彈簧的擾動，管內(nèi)整個流場的溫度分布及速度分布均呈現(xiàn)比較均勻的特征。

圖6 Rei=4 000時內(nèi)插螺旋彈簧管內(nèi)溫度和速度分布云圖

比較圖5、圖6可知，內(nèi)插螺旋彈簧管的傳熱情況要明顯好于普通光管，由于在核心流區(qū)插入彈簧，對傳熱起到了強(qiáng)化的作用。

2.4.3不同圈徑內(nèi)插螺旋彈簧管內(nèi)傳熱性能

Rei=4 000時，換熱管內(nèi)分別插入圈徑為?10 mm、?16 mm彈簧管內(nèi)的溫度、速度云圖分別見圖7、圖8。

圖7 Rei=4 000時圈徑?10 mm內(nèi)插彈簧管管內(nèi)溫度和速度分布云圖

圖8 Rei=4 000時圈徑?16 mm內(nèi)插彈簧管管內(nèi)溫度和速度分布云圖

從圖7可以看出，管內(nèi)插入圈徑為?10 mm的螺旋彈簧在Rei=4 000時，彈簧較為靠近管中心線，對核心流區(qū)域的流動擾動比較大，整個內(nèi)插螺旋彈簧換熱管的溫度分布、速度分布更加均勻，說明具有較強(qiáng)的強(qiáng)化傳熱作用。

從圖8可以看出，管內(nèi)插入圈徑為?16 mm的螺旋彈簧在Rei=4 000時，彈簧較為靠近管壁面，對核心流區(qū)域的流動擾動有限，整個內(nèi)插螺旋彈簧換熱管的溫度分布、速度分布不夠均勻，說明強(qiáng)化傳熱作用有限。

2.5 綜合性能評價

采用綜合性能評價標(biāo)準(zhǔn)指數(shù)PEC對內(nèi)插螺旋彈簧換熱管核心流強(qiáng)化換熱進(jìn)行評價，綜合分析在核心流區(qū)內(nèi)插螺旋彈簧對換熱的影響，PEC評估按照下式進(jìn)行：

式中，Nu為強(qiáng)化管的努塞爾數(shù)，Nu0為光管的努塞爾數(shù)，f為強(qiáng)化管阻力系數(shù)，f0為光管阻力系數(shù)，量綱一。

根據(jù)模擬計算數(shù)據(jù)對內(nèi)插螺旋彈簧管的強(qiáng)化傳熱效果進(jìn)行綜合評價，圈徑?10 mm內(nèi)插螺旋彈簧換熱管綜合性能評價圖見圖9。

圖9 圈徑?10 mm內(nèi)插螺旋彈簧管綜合性能評價圖

從圖9可以看出，①Rei=2 000～5 000時，PEC始終大于1，表明在該段范圍內(nèi)，采用強(qiáng)化傳熱技術(shù)是可行有效的。②Rei=5 001～10 000內(nèi)，綜合性能評價標(biāo)準(zhǔn)指數(shù)PEC小于1且呈現(xiàn)遞減趨勢，說明此時內(nèi)插螺旋彈簧管未起到綜合強(qiáng)化傳熱的效果。雖然在這一范圍內(nèi)，單純從換熱角度來考察內(nèi)插螺旋是具有強(qiáng)化傳熱效果的，但隨著流體流速的增大，內(nèi)插螺旋彈簧會使管內(nèi)流體的阻力系數(shù)迅速增大。根據(jù)PEC分析，此情況下的內(nèi)插螺旋彈簧管未起到綜合強(qiáng)化傳熱的效果。

不同圈徑情況下，內(nèi)插螺旋彈簧換熱管綜合性能評價圖見圖10。

圖10 Rei=4 000時不同圈徑內(nèi)插螺旋彈簧綜合性能評價圖

從圖10可以看出，Rei=4 000時，內(nèi)插螺旋彈簧圈徑在?6 mm、?8 mm、?10 mm、?12 mm內(nèi)，PEC呈現(xiàn)上升趨勢，且指數(shù)均大于1，說明內(nèi)插螺旋彈簧管均有不同程度的綜合強(qiáng)化傳熱的效果。內(nèi)插螺旋彈簧圈徑在?12 mm、?14 mm、?16 mm內(nèi)，PEC呈現(xiàn)下降趨勢，說明在該段范圍內(nèi)，彈簧圈徑過大，綜合傳熱性能反而下降，并未為管內(nèi)核心流區(qū)段起到很好的均勻作用，且彈簧圈徑越靠近壁面，這種不均勻性越大。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與模擬計算對比分析

從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出,與光管相比，①內(nèi)插不同圈徑?12 mm、?14 mm、?16 mm的螺旋彈簧換熱管都具有不同程度的強(qiáng)化傳熱作用。②在相同雷諾數(shù)Rei的情況下，內(nèi)插圈徑?16 mm螺旋彈簧換熱管的強(qiáng)化換熱情況較弱，而內(nèi)插圈徑?12 mm螺旋彈簧換熱管的強(qiáng)化換熱情況較強(qiáng)。

從數(shù)值模擬結(jié)果可以看出,①內(nèi)插螺旋彈簧管的傳熱情況要明顯好于普通光管。②在Rei=4 000下，內(nèi)插圈徑為?16 mm的螺旋彈簧換熱管具有一定的強(qiáng)化傳熱作用，而內(nèi)插圈徑為?10 mm的螺旋彈簧換熱管具有較強(qiáng)的強(qiáng)化傳熱作用。

對實(shí)驗(yàn)?zāi)M計算結(jié)果采用綜合性能評價標(biāo)準(zhǔn)指數(shù)PEC進(jìn)行評價可以看出,在管內(nèi)核心流區(qū)域插入螺旋彈簧的強(qiáng)化傳熱效果與插入彈簧的圈徑大小以及流體狀態(tài)有關(guān)，存在一個內(nèi)插螺旋彈簧的最優(yōu)值。在文中的研究條件下，不同圈徑內(nèi)插螺旋彈簧換熱管在Rei=4 000時，綜合性能評價標(biāo)準(zhǔn)指數(shù)PEC取得最大時的彈簧圈徑是?12 mm。內(nèi)插圈徑為?10 mm的彈簧換熱管，當(dāng)Rei由2 000逐漸增大到10 000時，綜合性能評價標(biāo)準(zhǔn)指數(shù)PEC先上升后下降，最優(yōu)值為1.21。

4 結(jié)語

通過FLUENT模擬方法和實(shí)驗(yàn)方法，研究了內(nèi)插螺旋彈簧換熱管核心流的強(qiáng)化傳熱特性，實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了數(shù)值模擬的結(jié)果，這對后續(xù)研究及工程應(yīng)用有一定的指導(dǎo)意義。

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