換熱管內插螺旋強化傳熱的數值模擬

馮修燕，張治坤

換熱管內插螺旋強化傳熱的數值模擬

馮修燕，張治坤

（湖南化工職業技術學院，湖南株洲 412000）

換熱管內插入鋼絲螺旋改變了管內的流動狀態。通過數值模擬，研究內插螺旋換熱管內速度場與溫度場的分布特性，對空管和內插螺旋換熱管進行了比較。模擬結果表明，在相同條件下，內插螺旋能夠有效地改善換熱管內速度場和溫度場，驗證了管內插螺旋是提高換熱性能的有效手段。

換熱管；螺旋；強化傳熱；數值模擬

污垢的存在［1］，不僅縮短了換熱器的使用壽命，還使得傳熱效率大幅度降低，最終影響企業生產效益，造成重大經濟損失。

對于管式換熱器，換熱管內側污垢熱阻的存在，大大增加了傳熱的阻力，使總的換熱系數減小，換熱效率降低。管內插鋼絲螺旋線圈是管式換熱器強化傳熱的一種重要手段，在節能領域具有一定的工程應用價值［2］。

1　換熱管內插螺旋強化傳熱理論分析

管內側傳熱主要與管內流體熱邊界層有關，熱邊界層越薄越有利于強化傳熱，通過管內插螺旋線的數值模擬的分析，螺旋的存在可以抑制污垢的產生和減薄熱邊界層，從而能夠強化傳熱。

管內插螺旋［3-5］可以很好地擾動管內接近壁面出的流體，使流體在流經螺旋時產生漩渦，加強了整個徑向截面內的流體混合，提高了管內的雷諾數。流體由于受到螺旋鋼絲的阻擋，在徑向方向上會產生一定的流速，這個流速方向與傳熱的方向是平行的，因此可以很好地強化管內流體在徑向截面上的熱量傳遞，起到了很好的強化傳熱效果［6］。

2　換熱管內插螺旋數值模擬及結果分析

通過Fluent2.0軟件數值模擬空管與內插螺旋換熱管某一段截面上的速度、溫度、壓力云圖并進行對比分析。所選取換熱管長度內徑均相同，進出口邊界條件設定一致，假設壁面為恒溫邊界，對流場加熱。圖1為換熱管的計算模型圖。

圖1　換熱管的計算模型圖

截取兩根換熱管中間部分的管段進行研究，如圖2所示，對該段垂直于坐標軸x方向的中性面即x=0截面進行研究。

圖3為所選取管段x=0截面的速度云圖，（a）為空管的速度流場，（b）為管內插螺旋的速度流場。從流速云圖可以看出螺旋的存在對流場產生了影響，內插螺旋使得最大流速增加。空管的流場變化均勻，從壁面往管軸心方向，流速大小一層一層增加直到最大流速不變，中心處流速最大且范圍基本不變；內插螺旋所產生的流場層狀感不強較混亂，最大流速已發生在中心處，可以看到位于壁面與鋼絲螺旋之間的顏色變深，說明該位置處邊界層受到螺旋的影響。將該小段左側邊界線命名為入口，右側邊界線命名為出口，圖4為入口與出口邊的具體速度大小變化的坐標點，（a）對應為空管，（b）則為內插螺旋管。圖4（a）空管的速度變化呈現拋物線，且入口與出口速度幾乎相同；圖4（b）管內插螺旋的徑向方向速度大小發生變化，與圖4（a）相比梯度增加，說明內插螺旋線減薄了流動邊界層的厚度。

圖3　速度云圖

圖4　進口與出口邊界線的速度大小

圖5為所選取段x=0截面的溫度場云圖，圖5（a）為空管的溫度場，圖5（b）為內插螺旋管的溫度場。溫度場的變化情況基本與流場一致，可以看出內插螺旋線破壞了溫度場的均勻性，螺旋的加入使得整體溫度場得到了提高，意味著熱量從壁面更多的傳遞到了流場。如圖6所示，流動邊界層與溫度邊界層發生減薄現象，壁面附近溫度呈現梯度變化，可見管內插螺旋強化了管內傳熱。

圖5　溫度云圖

圖6 進口與出口邊界線的溫度大小

圖7為此段出口截面的速度矢量圖，由圖7（a）空管可以看出流體保持直線流動；從圖7（b）圖管內插螺旋看出流體在出口產生了明顯的旋流效果，多數矢量箭頭線與管壁面呈一定角度，并非平行，說明這種旋流效果對管壁面有沖擊作用。圖8為從進口邊界線發出的流線圖，對比空管與內插螺旋圖，明顯看出螺旋的作用使得管內流場產生了強旋流效果，而這種強旋流效果對熱量的傳遞具有強化作用。但是強旋流是以壓力的損失作為代價，具體是否具有強化傳熱效果，需要對壓力損失與熱量傳遞強化進行綜合考慮。據文獻研究，管內插螺旋能夠實現強化傳熱［7］。

3　結論

通過對換熱空管和內插螺旋換熱管進行數值模擬，對其傳熱性能進行比較分析，結果表明管內插螺旋減薄了流動邊界層的厚度和溫度邊界層的厚度，螺旋的作用使得管內流場產生了強旋流效果，管內插鋼絲螺旋的存在可以強化傳熱，為繼續研究提供了依據。

圖7　出口截面的速度矢量圖

圖8　入口邊界線發出的流線圖

［1］ 吳雙應.污垢對換熱器傳熱性能影響［J］.石油化工設備，2010，29（1）.

［2］ 楊善讓，徐志明，孫靈芳.換熱設備污垢與對策［M］.北京：科學出版社，2014.

［3］ 徐天華，崔乃瑛，譚盈科，等.開發管內插入物強化高粘液體傳熱的方法探討［C］.1986：19.

［4］ 徐建民，熊雯，皮威，等.內插自振彈簧換熱管傳熱性能試驗研究［J］.石油化工設備，2010，39（3）：9-12.

［5］ P.Murugesan，K.Mayilsamy，S.Suresh，等.圓形管中填充帶圓釘的螺旋狀金屬帶時的傳熱和流動阻力研究［J］.中國化學工程學報（英文版），2010，18（6）：1038-1042.

［6］ 俞秀民，吳金香，俞天藍，等.旋轉螺旋除垢防垢技術研究［J］.化學清洗，2006，12（3）：34-37.

［7］ 易偉.冷卻結晶設備管內自轉螺旋自動清洗技術研究［D］.碩士論文，湖南工業大學，2008.

Numerical Simulation on Enhanced Heat Transfer of Pipe Inserted with Steel spiral

Feng Xiu-yan，Zhang Zhi-kun

The steel spiral inserted of pipe changes the flow state.Through numerical simulation，we studied the distribution characteristics of the velocity and temperature field，compared the empty tube and the inserted with steel spiral tube.Simulation results show that the inserted with steel spiral tube can effectively alter the speed and temperature field in the heat transfer tube under the same conditions，and also is an effective means to improve the heat transfer performance.

heat exchange tube；steel spiral；enhanced heat transfer；numerical simulation

TK124

B

1003-6490（2016）06-0093-02