內置偏心多螺旋扭帶換熱管的傳熱特性研究

田 瑞

（寧夏理工學院機械工程學院，寧夏 石嘴山 753000）

螺旋扭帶，作為一種簡單實用的擾流元件，被廣泛應用于強化傳熱和清洗除垢等化工過程中。Smithberg[1]、Lopina[2]、王宗勇[3]、Zhi-Min Lin[4]、田瑞等[5]對螺旋扭帶的強化傳熱作用做了深入研究，發現螺旋扭帶內置于換熱管中，能夠迫使流體進行螺旋流動，進而增加流體流程，形成二次流動、減薄溫度邊界層，產生翅片效應等，最終使換熱管的換熱效率有所提高。張琳[6]、毛琨[7]、王永旭[8]、俞天蘭等[9]對螺旋扭帶的清洗除垢作用做了研究，發現管內置螺旋扭帶能夠減小污垢在管壁的沉積速率，加快沉積污垢的剝落速率，進而實現清洗除垢功能。前期學者們的研究，主要針對螺旋扭帶內置于換熱管中心或者單個偏心放置的情況，扭帶內置于管中心導致了流動阻力損失較大，扭帶單個偏心放置雖然在一定程度上增強了扭帶側流體的換熱效果，但是對遠離扭帶側流體的換熱效果的強化較弱。鑒于此，本文提出了一種內置偏心多螺旋扭帶的換熱管模型，以期能夠更大程度提高換熱管的強化傳熱效果，為工程應用提供借鑒和參考。

1 傳熱特性分析

1.1 物理模型建立及邊界條件設定

內置多螺旋扭帶換熱管的模型示意圖如圖1所示。換熱管的管長為L=800mm，內置的螺旋扭帶的長度為L’=756mm，螺旋扭帶的寬度w=27mm，螺旋扭帶的厚度δ=2mm，換熱管中心處的細桿的直徑=12mm，三螺旋扭帶相互間的夾角為120°，四螺旋扭帶相互間的夾角為90°。

圖1 換熱管示意圖

速度入口邊界條件為平均分布入口，出口邊界采用自由流出口。換熱管外壁采用恒壁溫邊界條件，壁溫取350K。扭帶與流體接觸的邊界采用無滑移邊界條件，設為絕熱壁。以285K 的水為模擬介質，忽略自然對流及溫度對介質性質的影響。數值計算采用Fluent 軟件的三維單精度分離解算器，壓力速度耦合采用SIMPLE 算法，湍流模型選擇RNG k-ε 模型，動量方程和能量方程的差分格式均采用二階迎風格式，連續性方程殘差收斂到10～6 以下，動量方程和能量方程殘差收斂到10～8 以下。

1.2 對流傳熱強度分析

努塞爾數Nu 是表征流體對流傳熱強度的一個無量綱準則數，換熱管的平均Nu 則表示的是整個換熱管的對流傳熱強度，是對流傳熱強度的一種宏觀度量。為了能更確切的表示出內置偏心多螺旋扭帶對換熱管的傳熱性能的提高，將內置螺旋扭帶的換熱管的平均Nu 與空管的平均Nu0作比值，圖2 為Nu/Nu0與雷諾數Re 的關系圖。

圖2 Re 對Nu 的影響

由圖2 可知，在5000≤Re≤10000 的范圍內，內置偏心多螺旋扭帶換熱管的平均Nu 相對于空管有很大程度的提高，達到了空管的1.1～1.35 倍。Nu/Nu0隨著雷諾數的增加而減小，這說明隨著雷諾數的增加螺旋扭帶對于換熱管的傳熱性能的提高程度在逐漸下降，故在選擇螺旋扭帶作為強化傳熱元件時應盡量在雷諾數較低的工況下進行。

對比圖2 中曲線還發現，在相同的扭率下，四螺旋扭帶換熱管的平均Nu 高于三螺旋扭帶換熱管的平均Nu。當扭率為3 時，四螺旋扭帶換熱管的平均Nu 相對于三螺旋扭帶換熱管的提高了1.4%～5.0%。四種情形中，扭率為2 的四螺旋扭帶換熱管的平均Nu 相對于空管提高的最多，故在不考慮摩擦阻力損失的情況下選擇此換熱管能取得較好的對流傳熱效果。

1.3 流動阻力分析

當流體經過管道時，流體必然要受到阻力損失，以下是對內置多螺旋扭帶換熱管的流動阻力系數f 的分析。流動阻力系數f 做與平均Nu 相似的處理，即與空管的流動阻力系數f0做比值。

圖3 Re 對流動阻力系數的影響

圖3 是內置多螺旋扭帶換熱管的流動阻力系數與空管的流動阻力系數的比值f/f0隨著雷諾數的變化關系圖。由圖3 看出，對于本文研究的四種換熱管，換熱管內流體流動的阻力系數相對于空管都有相當大的提高。在5000≤Re≤10000 的范圍內，內置偏心多螺旋扭帶換熱管的流動阻力系數是空管的3.2～7.9 倍。f/f0隨著雷諾數的變化情況在不同的扭帶扭率下有不同的表現。當扭帶扭率為2 時，f/f0隨著雷諾數的增加而增加；當扭帶扭率為4 時，f/f0隨著雷諾數的增加變化幅度較小，有略微的減小。這說明扭帶扭率較大時，扭曲程度較小，Re 的變化對流動阻力損失影響不大。

1.4 綜合傳熱性能分析

圖4 是四種不同情況下，換熱管的傳熱性能評價指標η 隨雷諾數的變化情況。傳熱性能評價指標是一個既考慮傳熱效果又考慮阻力系數的綜合指標。由圖4 發現，在5000≤Re≤10000 的范圍內，傳熱性能評價指標η 隨著雷諾數的增加而減小，都小于1。這種多螺旋扭帶結構在提高換熱管對流傳熱性能的同時也促使流動阻力損失增加，故在工業應用中如果不考慮流動阻力損失，則利用多螺旋扭帶來增加整個換熱管的傳熱性能還是可行的。

圖4 Re 對傳熱性能評價指標的影響

2 結論

本文通過數值模擬在5000≤Re≤10000 的范圍內對內置偏心多螺旋扭帶換熱管的對流傳熱性能做了分析，從換熱管的平均Nu、流動阻力系數f 以及傳熱性能評價指標η 三個方面分析了換熱管的傳熱特性。內置偏心多螺旋扭帶換熱管的平均Nu 相對于空管來說有較大程度的提高，是空管的1.1～1.35 倍。內置偏心多螺旋扭帶換熱管的流動阻力系數是空管的3.2～7.9 倍。傳熱性能評價指標隨著雷諾數的增加而減小。內置多個螺旋扭帶會給換熱管造成巨大的流動阻力損失，在選擇多扭帶結構作為強化傳熱元件時應考慮流動阻力損失的影響。