徐建民 周 瑩 胡小霞 胡奇峰 鄒 宇

（武漢工程大學(xué)化工裝備強(qiáng)化與本質(zhì)安全湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室)

換熱管內(nèi)置螺旋彈簧對(duì)傳熱性能影響的研究*

徐建民**周 瑩 胡小霞 胡奇峰 鄒 宇

（武漢工程大學(xué)化工裝備強(qiáng)化與本質(zhì)安全湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室)

通過(guò)粒子成像測(cè)速（PIV）技術(shù)，研究了內(nèi)置螺旋彈簧對(duì)換熱管傳熱性能的影響，并分析了螺旋彈簧節(jié)距、絲徑以及中徑對(duì)管內(nèi)流場(chǎng)的影響。結(jié)果表明，內(nèi)置彈簧管的強(qiáng)化傳熱系數(shù)明顯高于光管，傳熱效果隨彈簧節(jié)距、絲徑的增大而增大，隨中徑的減小而增大。通過(guò)實(shí)驗(yàn)，確定了增強(qiáng)湍流程度的最佳方式。

內(nèi)置彈簧管 強(qiáng)化傳熱 數(shù)值模擬 PIV實(shí)驗(yàn) 換熱器 湍流 漩渦

0 序言

當(dāng)今工業(yè)技術(shù)發(fā)展迅速，各領(lǐng)域?qū)I(yè)設(shè)備都強(qiáng)調(diào)經(jīng)濟(jì)性與節(jié)能性，換熱器作為應(yīng)用非常廣泛的通用工藝設(shè)備，其強(qiáng)化要求更為苛刻[1－3]。換熱器的強(qiáng)化傳熱技術(shù)，包括主動(dòng)強(qiáng)化傳熱技術(shù)和被動(dòng)強(qiáng)化傳熱技術(shù)，一直是節(jié)能技術(shù)領(lǐng)域的重要課題[4－5]。主動(dòng)強(qiáng)化指外加額外動(dòng)力實(shí)現(xiàn)強(qiáng)化，被動(dòng)強(qiáng)化指通過(guò)表面處理、擾流裝置、渦旋流裝置等實(shí)現(xiàn)強(qiáng)化，不需要額外動(dòng)力。其中渦旋流裝置應(yīng)用廣泛，以螺旋線圈為主的強(qiáng)化手段因其制造簡(jiǎn)單、成本低廉、適用于舊設(shè)備改造等優(yōu)點(diǎn)而受到重視[6－8]。

目前國(guó)內(nèi)外已開(kāi)展對(duì)內(nèi)置螺旋彈簧強(qiáng)化傳熱特性及除污除垢特性的研究[9－12]，但對(duì)于彈簧附近流場(chǎng)、彈簧振動(dòng)以及傳熱機(jī)理尚不明晰。因此，亟待深入展開(kāi)對(duì)內(nèi)置螺旋彈簧換熱管流體流場(chǎng)和傳熱機(jī)理的研究。

本文采用粒子成像測(cè)速（PIV）技術(shù)對(duì)內(nèi)置螺旋彈簧換熱管的傳熱進(jìn)行了系統(tǒng)的研究[13－19]，比較了管內(nèi)有螺旋彈簧和無(wú)螺旋彈簧時(shí)的流場(chǎng)，以研究不同螺旋參數(shù)時(shí)的流場(chǎng)特性及其對(duì)強(qiáng)化傳熱的影響。

1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

實(shí)驗(yàn)裝置由實(shí)驗(yàn)管道和供水循環(huán)系統(tǒng)兩部分組成，如圖1所示。

圖1 圓管內(nèi)插入螺旋彈簧實(shí)驗(yàn)裝置

（1）實(shí)驗(yàn)管道

實(shí)驗(yàn)管道材質(zhì)為透明亞克力，其具有較好的透明性、化學(xué)穩(wěn)定性和耐候性，利于PIV實(shí)驗(yàn)。選取的管道模型長(zhǎng)為960 mm、內(nèi)徑為20 mm。

（2）供水循環(huán)系統(tǒng)

供水循環(huán)系統(tǒng)由儲(chǔ)水池、自吸泵、球閥及連接管路組成。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，保持管道內(nèi)為全封閉狀態(tài)。實(shí)驗(yàn)所用的儲(chǔ)水池是容積為30 L的長(zhǎng)方體鐵盒。此外，在實(shí)驗(yàn)管道出口安裝球閥，并可以通過(guò)控制其開(kāi)度來(lái)調(diào)節(jié)流速。泵進(jìn)入工作狀態(tài)后，即可保持水在系統(tǒng)管路內(nèi)循環(huán)。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

圖2所示為圓管內(nèi)置螺旋彈簧的結(jié)構(gòu)。實(shí)驗(yàn)采用的幾種螺旋彈簧的參數(shù)如表1所示。

圖2 圓管內(nèi)置螺旋彈簧結(jié)構(gòu)

實(shí)驗(yàn)研究了在相同雷諾數(shù)條件下，彈簧結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)換熱管流場(chǎng)的影響。為了提高實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)確性，在實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)達(dá)到平衡狀態(tài)后開(kāi)始測(cè)量。實(shí)驗(yàn)示蹤粒子采用直徑為20 nm的玻璃珠，其流場(chǎng)跟隨性高、光散射性好且顆粒均勻，成像效果很好。

表1 彈簧管號(hào)及彈簧幾何尺寸 (單位：mm)

2 參數(shù)定義

（1）雷諾數(shù)Re

式中de——內(nèi)插自振彈簧換熱管的當(dāng)量直徑，m;并且 de＝di；μH2O——水的黏度，Pa·s。

查資料可知，μH2O=1.004×10-3Pa·s。

（2）入口速度

式中qv——流體的體積流量，m3/s；

v——流體的入口速度，m/s；

A——管入口截面積，m2。

（3）渦量 Ωxy

對(duì)于渦量Ωxy（s-1）有如下定義式：

式中ux、uy——分別代表截面內(nèi)x軸、y軸方向上的速度分量，m/s。

3 結(jié)果分析

3.1 不同流體速度時(shí)的流場(chǎng)特性比較

實(shí)驗(yàn)所取的T1彈簧管在不同雷諾數(shù)時(shí)對(duì)應(yīng)的入口流速如表2所示。以圖3所示的T1彈簧管計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析，其他彈簧管傳熱特性與之相似。

表2 入口速度

內(nèi)置螺旋彈簧管內(nèi)流體流過(guò)螺旋彈簧時(shí)，其原有的流道被阻擋，在壁面區(qū)域會(huì)形成漩渦。這不僅破壞了管內(nèi)流體的結(jié)構(gòu)，而且在彈簧和壁面之間產(chǎn)生擾流，有利于破壞邊界層。由圖3可知，當(dāng)流速增大時(shí)，漩渦迅速增大，并且分離前移，促進(jìn)了管壁流體的湍流流動(dòng)。

圖3 流速不同時(shí)管內(nèi)縱截面渦量圖（T1螺旋彈簧管）

3.2 不同節(jié)距時(shí)的流場(chǎng)特性比較

圖4（a）、圖4(b)、圖4(c)分別是節(jié)距為5、9、12 mm的彈簧管實(shí)驗(yàn)圖。對(duì)比可知，隨著節(jié)距的增大，管內(nèi)中心區(qū)域漩渦慢慢增多且強(qiáng)度較大，然后不斷脫離。

圖4 螺旋彈簧節(jié)距不同時(shí)管內(nèi)縱截面渦量圖（Re=6522）

3.3 不同絲徑時(shí)的流場(chǎng)特性比較

圖5（a）、圖 5(b)、圖 5(c)分別是絲徑為0.6、1、1.5 mm的彈簧管實(shí)驗(yàn)圖。對(duì)比可見(jiàn)，隨著絲徑的增大，漩渦的產(chǎn)生增多且漩渦的強(qiáng)度也隨之增大。絲徑較大的彈簧對(duì)流體的擾流作用更強(qiáng)，流體湍流強(qiáng)度也更大。

圖5 螺旋彈簧絲徑不同時(shí)管內(nèi)縱截面渦量圖（Re=6522）

3.4 不同中徑時(shí)的流場(chǎng)特性比較

圖6（a）、圖 6(b)、圖 6(c)分別是中徑為17、18、19 mm的彈簧管實(shí)驗(yàn)圖。對(duì)比可見(jiàn)，隨著彈簧中徑的增大，壁面區(qū)域漩渦的產(chǎn)生減少，中徑較小的彈簧其擾流作用更為明顯。

圖6 螺旋彈簧中徑不同時(shí)管內(nèi)縱截面渦量圖（Re=6522）

4 結(jié)論

通過(guò)對(duì)各組強(qiáng)化傳熱實(shí)驗(yàn)的分析，可以明確內(nèi)置螺旋彈簧對(duì)傳熱性能的影響：

（1）螺旋彈簧對(duì)換熱管內(nèi)流體起到了明顯的擾流作用，流體繞過(guò)螺旋彈簧時(shí)受到阻礙和導(dǎo)向，從而產(chǎn)生漩渦，并加快了流體流速；而螺旋流動(dòng)狀態(tài)使湍流強(qiáng)度加強(qiáng)，充分?jǐn)_動(dòng)了邊界層，增強(qiáng)了傳熱效果。

（2）螺旋彈簧的節(jié)距、絲徑對(duì)管內(nèi)流動(dòng)狀態(tài)影響較大。節(jié)距越大，管內(nèi)流體阻力就越小，流速就越大，同時(shí)產(chǎn)生的漩渦強(qiáng)度就越大。螺旋彈簧絲徑越大，擾流作用就越強(qiáng)，同時(shí)產(chǎn)生的漩渦強(qiáng)度也越大。即絲徑增大后，湍流強(qiáng)度增大，從而加快了中心流體與邊界層流體的對(duì)流，但絲徑的增大意味著管內(nèi)流體阻力迅速上升。螺旋彈簧中徑較小時(shí)，彈簧震動(dòng)的空間較大，產(chǎn)生的阻力較小，對(duì)流體擾流作用較明顯。

（3）綜合考慮擾流強(qiáng)度和邊界層狀況，得出節(jié)距大、絲徑粗和中徑小的螺旋彈簧對(duì)流體具有更為強(qiáng)烈的擾流作用，產(chǎn)生的渦量強(qiáng)度也較大。

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Study on Heat Transfer Performance of the Built-in Spiral Spring Heat Exchange Tube

Xu Jianmin Zhou Ying Hu Xiaoxia Hu Qifeng Zou Yu

The effect of built-in spiral spring on heat transfer performance of heat transfer tube is studied by means of particle image velocimetry (PIV).The influence of the intercept,the wire diameter and the middle diameter of the spiral spring on the flow field in the heat transfer tube is analyzed.The results show that the enhanced heat transfer coefficient of the tube with built-in spiral spring is higher than that of the light tube.The effect of heat transfer increases with the increase of the intercept and the diameter of the spring,and increases with the decrease of the middle diameter.The best way to enhance the turbulence level is determined by experiments.

Built-in spring tube;Heat transfer enhancement;Numerical simulation;PIV experiment;Heat exchanger;Turbulence;Vortex

TQ 051.5

10.16759/j.cnki.issn.1007-7251.2017.06.005

2016-10-15）

列管式換熱器流體誘導(dǎo)振動(dòng)強(qiáng)化傳熱機(jī)理研究（50976080）。

**徐建民，男，1965年生，碩士，教授。武漢市，430205。