內置扭帶換熱管數值模擬及結構參數優化研究

蘆婭妮 頡苗 張琪

摘 ?????要： 采用數值模擬方法對內插扭帶式換熱管換熱過程進行模擬，分析了管內流動與傳熱特征，研究了扭帶尺寸參數對管內流動與傳熱的影響。結果表明，隨扭帶余隙率增大，傳熱系數逐漸減小，傳熱性能降低，但過小的余隙率會增大摩擦阻力。傳熱系數隨扭距增加先增大后減小，阻力系數隨扭距增加逐漸減小。綜合考慮扭帶參數對傳熱與流動的影響，對換熱管內置扭帶的結構參數進行了優化。

關 ?鍵 ?詞：強化傳熱;數值模擬;換熱管;換熱管

中圖分類號：TQ021.3 ??????文獻標識碼： A ??????文章編號： 1671-0460（2019）02-0437-04

Abstract： The numerical simulation method was used to simulate the heat transfer process of the heat exchanger tube inserted with twisted plate. The flow and heat transfer characteristics in the tube were analyzed. Moreover， the effects of twisted plate size parameters on flow and heat transfer rate in the tube were studied. The results indicated that the heat transfer coefficient and the heat transfer performance decreased with increasing of the clearance ratio of twisted plate. But， too small clearance ratio will increases the friction resistance dramatically. Finally， the structural parameters of twisted plate in heat exchanger tubes were optimized.

Key words： Heat transfer enhancement; Numerical simulation; Heat transfer tube; Twisted plate

隨著能源短缺與環境污染問題的日益嚴重，“節能減排”作為提高能效、改善環境的重要理念已經受到了世界范圍（特別是能源進口國）的廣泛關注[1]。換熱器作為一種熱能轉輸設備，在化工、動力工程及空調制冷行業都有廣泛的應用。提高換熱器的傳熱效率是節約能耗的重要措施，也是工程技術領域與科研人員共同關注的熱點研究方向[2，3]。盡管換熱器應用于不同領域時呈現出多種形式，但擴展換熱面積、強制流體旋轉以及增加粗糙度等方法作為普遍的傳熱強化措施被廣泛地應用于各種換熱設備[4]。其中，換熱管內插入能夠擾動流場的插入物具有不改變傳熱面形狀、加工簡單和不需要更換管殼式換熱器等優點。關于管內插入物的設計及研究已有大量報道。周路遙等[5]設計了一種管內雙斜桿插入物，并對其綜合換熱性能進行了數值模擬，發現管內插入雙斜桿能夠使流體形成雙層旋流結構，進而增強換熱效率。張曉嶼等[6]將換熱管內插入多個螺旋片來改善傳熱性能，通過數值模擬方法研究了以水為流動介質時傳熱性能的變化，發現此種內插多個螺旋片能夠使努塞爾數增大4.5～11倍。彭得其等[7]設計了一種管內震動往復螺旋機構，實驗研究表明該裝置不但能夠增大換熱器傳熱系數，而且還具有自動除垢防垢功能。

盡管目前設計的管內插入物形式多樣，但應用于工程實際中大多具有加工制造復雜、改善換熱的同時增大流動阻力等缺點[8]。扭帶是一種結構簡單而又能使流體旋轉的旋流發生器，通常由薄片金屬扭轉而成。扭帶作為一種改善換熱管的插入物已經得到實際應用，同時一些學者對扭帶改善換熱的機理進行了研究。劉舜堯等[9]通過設計的實驗裝置研究了管殼式扭帶強化傳熱規律，得到了流速對傳熱系數的影響趨勢。李行[4]通過數值模擬方法研究了組合式扭帶的換熱效率。雖然扭帶具有結構簡單、便于安裝的特點，但與其它管內插入物一樣，在強化傳熱的同時不可避免的產生附加的摩阻損失，在平衡傳熱與流動之間存在結構優化問題。本文將通過計算流體力學方法模擬內插扭帶的換熱過程，并研究余隙率、扭距等參數對換熱管內溫度場和流場的影響，進而對扭帶結構參數進行優化。

1 ?物理及數學模型

圖1為內插扭帶換熱管的幾何模型局部示意圖，扭帶插入換熱管內部，其外徑通常小于換熱管內徑。由于扭帶的導流作用，當流體流進換熱管后，一部分沿扭帶做螺旋流動，另一部分在管壁與扭帶之間的環形區域流動。其中做旋轉流動的流體由于離心力的作用不斷流向壁面，對管流造成擾動，進而增強管壁與流體間的強制對流換熱。在本研究建立的幾何模型中，管徑D0=60 mm，長度L=1 500 mm，換熱介質為空氣，流速v = 4 m/s。為了表征扭帶直徑與管徑的相對大小，定義余隙率η=（1-d/D0）×100%，其中d為扭帶邊緣直徑。本研究分別對8.9%，17.8%和26.7%三種余隙率進行建模。此外，用扭距（H）表征扭帶的螺旋程度，扭距即扭帶每旋轉360?的軸線長度。為研究扭帶螺旋程度對傳熱即流動的影響，分別對H=100，200和300 mm三種扭帶建模。

采用Gambit軟件對模型進行網格劃分，其中扭帶采用結構化網格，流體空間采用非結構網格，對扭帶及換熱管壁面進行網格加密。采用FLUENT 14.0三維雙精度求解器對模型進行計算，所得結果均進行網格無關性驗證后方使用。換熱管入口設置為速度進口邊界條件，出口設置為壓力出口。壁面設置為無滑移邊界調節，其中管壁溫度采用第一類換熱邊界條件，T0 = 840 K，為管內空氣加熱。為簡化計算，做出如下假設：1） 流體物性均為定值，如表1所示;2） 流動狀態為穩態流動;3） 流體為各項同性的連續介質，且為牛頓流體; 4） 不考慮重力對管內流動的影響。根據流體力學連續介質假設，圓管內單相穩態流動的控制方程為[10，11]：

2 ?計算結果及分析

2.1 ?換熱管沿線截面溫度場與流場變化

圖2為η=26.7%、H=300 mm時換熱管在入口、1/3、2/3和出口四個截面處的速度場分布。在入口截面上流速還未受扭帶影響，因此流場分布均勻，等于設定的入口流速。在1/3管長處，截面上的流速出現波動，在扭帶兩側腹部位置出現流速增加現象，而其周圍與圓管壁面處流速減小。

流體到達2/3管長時，其流速分布變化不大，而在1 500 mm處的出口截面上流場分布趨于穩定，扭帶兩側流速出現兩塊速度稍高于平均流速的區域，而在兩塊區域周圍有二次流和旋渦產生。

圖3為η=26.7%、H =300 mm時管熱管在入口、1/3、2/3和出口四個截面處的溫度場分布。由于扭帶為碳鋼制成，因此為熱的良導體，對于穩態傳熱過程其溫度與流體溫度基本相同，圖中用虛線框大致表示了扭帶界面所在位置。對比四個截面上的溫度場分布可以看到從入口到出口溫度沿截面分布是不斷變化的。在入口處，流體溫度等于初始溫度300 K;在1/3截面處由于與換熱管壁面的熱交換導致溫度場發生變化，沿管壁向內溫度發生梯度遞減，盡管大部分流體溫度得到升高，但仍有部分區域流體近似等于初始溫度;到2/3截面時，流體溫度進一步升高，壁面處溫度梯度減小;在出口截面處，溫度相對于管軸呈中心對稱分布，扭帶兩側腹部仍有局部低溫。

（a） 入口截面; ?（b） 500 mm處截面;

（c） 1 000 mm處截面; ?（d） 出口截面

2.2 ?余隙率對換熱管傳熱與流動的影響

圖4為扭距H=200 mm，不同余隙率時換熱管出口截面的溫度場分布。可以看到余隙率對換熱管內的溫度場分布具有重要影響。余隙率越大，出口處截面的溫度分布越不均勻，低溫區面積越大。可以直觀地判斷隨著余隙率增大，出口截面的平均溫度越低，這表明增大余隙率不利于傳熱強化。

（a） η=8.9%; （b） η=17.8%; （c） η=26.7%

用積分方法求出換熱管壁面的總傳熱量，然后計算出平均傳熱系數，如圖5所示。為形成對比，同時建立了管內不插入扭帶的換熱管模型，其平均傳熱系數同樣表示在圖5中（即空管）。隨著余隙率增大，平均傳熱系數逐漸減小，但傳熱系數從8.9%的余隙率到17.8%的余隙率降低的幅度較小，而從η=17.8%到η=26.7%下降的較多。為綜合比較扭帶對傳熱與流動的影響，圖5中還給出了管內摩阻系數隨余隙率的變化關系。

從圖4中可以看到，扭帶在強化傳熱的同時，還提高了流體與管壁的摩擦阻力系數，且隨余隙率增大，摩阻系數有所降低。從圖5所示的曲線可以看出，雖然從強化傳熱的角度考慮，余隙率越小越好，但過小的余隙率一方面增大了摩阻系數，另一方面容易淤積換熱介質中攜帶的雜質。綜合傳熱與流動兩方面因素考慮，認為η=17.8%為最佳余隙率，此時具有較大的傳熱系數而摩阻系數又處在較低水平。

2.3 ?扭距對換熱管傳熱與流動的影響

圖6為余隙率η=17.8%時，換熱管出口截面在不同扭距時的溫度場分布。從圖中可以看出：當H =100 mm時，流體內部未得到有效的換熱，仍然存在低溫流體區;當H =200 mm時，流體得到較好的混合，溫度場分布較為均勻;當H =300 mm時，低溫流體面積又有所增大。

從圖中可以看到，當扭距等于100 mm時的傳熱系數小于空管的傳熱系數，即此時換熱管內插入扭帶不但沒能起到強化傳熱的作用，反而阻礙了傳熱。結合圖6（a），當扭距過小時，管中心的流體反而容易被封閉在漩渦內，因此得不到有效的傳熱。當扭距等于200 mm時傳熱系數達到最大值，繼續增加扭距傳熱系數反而降低。摩阻系數隨扭距增大而減小。綜上，H =200 mm為最佳扭距。

4 ?結 論

內插螺旋扭帶能夠強化管內對流換熱，但同時也會增加流動阻力。研究了扭帶的兩個參數（余隙率和扭距）對換熱管傳熱與流動的影響。隨余隙率增大，傳熱系數與摩擦阻力系數均減小。隨扭距增大，摩擦阻力系數減小，而傳熱系數先增大后減小。綜合考慮傳熱與流動因素，余隙率等于17.6%，扭距等于200 mm為扭帶的最優化結構參數。

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