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(jī)械與動(dòng)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(shí)現(xiàn)能源的高效利用，可以從經(jīng)濟(jì)學(xué)的角度出發(fā)［1］，對換熱設(shè)備進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，從而達(dá)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(shí)現(xiàn)螺紋和螺旋結(jié)構(gòu)對流體復(fù)合擾動(dòng)［2］，達(dá)到強(qiáng)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(yùn)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(jìn)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(shí)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(shí)管程流體與殼程流體耦合傳熱與流動(dòng)的理論模型，進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算，并對計(jì)算結(jié)果進(jìn)行詳細(xì)分析，對比速度場、溫度場分布情況，進(jìn)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(dòng)特性［7］。

1 耦合傳熱計(jì)算模型

1.1 物理模型及計(jì)算方法

根據(jù)實(shí)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(yùn)動(dòng)。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(biāo)準(zhǔn)k-ε模型，同時(shí)選擇加強(qiáng)壁面函數(shù)，速度和壓力的解耦采用SIMPLE算法，動(dòng)量方程和能量方程采用二階迎風(fēng)格式離散化［8］，模型計(jì)算的收斂條件為質(zhì)量計(jì)算殘差絕對值小于1×10-5。

1.2 網(wǎng)格無關(guān)性檢驗(yàn)及模型驗(yàn)證

計(jì)算網(wǎng)格采用四面體網(wǎng)格，對近壁面處進(jìn)行加密［9］，網(wǎng)格無關(guān)性檢驗(yàn)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(shí)計(jì)算得到的管程流體的Nu和f的計(jì)算結(jié)果如圖2所示。綜合計(jì)算精度和計(jì)算效率，選取網(wǎng)格數(shù)為210 W的網(wǎng)格進(jìn)行模擬。

圖2 網(wǎng)格無關(guān)性檢驗(yàn)

為驗(yàn)證上述數(shù)值模型和計(jì)算方法的可靠性，采用該方法分別對文獻(xiàn)［10］中的光滑螺旋管內(nèi)流體流動(dòng)和傳熱進(jìn)行數(shù)值分析，并與Schmidt的擬合關(guān)聯(lián)式進(jìn)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(yàn)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(shí)驗(yàn)數(shù)值的平均誤差分別為3.25%和2.08%，驗(yàn)證了本文數(shù)學(xué)模型和計(jì)算方法的可行性和準(zhǔn)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(dòng)阻力對比

圖4給出了2個(gè)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(jìn)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N(yùn)u的1.76～1.9倍。

圖4 不同螺旋套管式換熱器管程N(yùn)u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(shí)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(jìn)一步了解螺紋強(qiáng)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(xì)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(shí)管程θ=180°橫截面的速度分布云圖。由圖6可見，當(dāng)內(nèi)管采用螺紋管時(shí)，因?yàn)槁菁y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(shí)管程流體速度跡線圖。由圖7可見，內(nèi)管采用螺紋管時(shí)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(jìn)運(yùn)動(dòng)的同時(shí)又以曲線管道中心線為軸做螺旋運(yùn)動(dòng)，即流體做以曲線為旋轉(zhuǎn)中心軸的復(fù)合螺旋流動(dòng)，流場結(jié)構(gòu)復(fù)雜，近壁面處流體分離和波動(dòng)的頻率得到增強(qiáng)，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(shí)管程θ=180°截面的溫度分布云圖如圖8所示。由圖8可見，當(dāng)采用螺紋內(nèi)管時(shí)，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(dòng)形態(tài)，使得流體的混合更加充分，極大地增強(qiáng)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(hào)透平油，殼程流體依舊設(shè)置為水進(jìn)行耦合換熱模擬，研究螺紋強(qiáng)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N(yùn)u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N(yùn)u有很大的影響，在同一Re下，30號(hào)透平油的管程N(yùn)u最大，其他依次是水、水蒸氣、空氣，在同一Re下流體采用30號(hào)透平油和采用空氣相比管程N(yùn)u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(qiáng)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(hào)透平油的管程進(jìn)出口Δp最大，流體采用30號(hào)透平油和采用空氣相比管程進(jìn)出口Δp提高33.6～33.67倍，隨著管程Re的增加這個(gè)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(shí)管程N(yùn)u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(dòng)，流場結(jié)構(gòu)復(fù)雜，邊界層得到進(jìn)一步減薄，強(qiáng)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(hào)透平油、水、水蒸氣、空氣4種不同物質(zhì)時(shí)，30號(hào)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。