螺旋套管式換熱器內(nèi)流體流動及強(qiáng)化傳熱分析

欒坤鵬

（珠海格力電器股份有限公司 珠海 519070）

引言

螺旋套管式換熱器廣泛應(yīng)用于動力、能源、化工、制冷、核能、石油等工業(yè)中[1-4]，殼程流體旋轉(zhuǎn)流動自生的離心力與科氏力產(chǎn)生二次流的高效換熱性能倍受關(guān)注。管道是能量轉(zhuǎn)換和利用的橋梁，管道中不僅實(shí)現(xiàn)流體的輸運(yùn)和相變，也是傳熱傳質(zhì)的載體。目前有關(guān)光滑環(huán)形流道[5,6]和帶有螺旋凹槽流道的已有較多研究，但是對內(nèi)管螺紋纏繞圈數(shù)、內(nèi)管螺紋槽深對流體流動和傳熱特性的影響的文章并未查到，因此該研究具有重要的意義。

1 物理模型及數(shù)學(xué)模型

1.1 物理模型

圖1 螺紋凹槽圓環(huán)的螺旋流道模型

物理模型如圖1所示，為截面加有螺紋凹槽的不規(guī)則截面為圓環(huán)的螺旋流道模型。主要的幾何尺寸包括截面為圓環(huán)螺旋管的外圓半徑（r1）和內(nèi)圓半徑（r2），螺旋半徑（Rc）和螺距（H），內(nèi)管螺紋纏繞的圈數(shù)（a）和內(nèi)管螺紋的槽深（b）。螺旋管的曲率定義為螺旋半徑的導(dǎo)數(shù)（1/Rc）。

表1 強(qiáng)化管模擬模型參數(shù)

建立研究對象的殼程流道并分別命名為M1、M2、M3、M4、M5、M6其參數(shù)見表 1。

1.2 數(shù)學(xué)模型

對于湍流流動的數(shù)值模擬，采用k-ε模型，壓力和速度的解耦采用SIMPLE算法，為了提高計算精度，動量和能量方程的離散均采用二階迎風(fēng)格式，收斂條件為動量方程殘差小于1.0×10-6。

由于研究對象在Re= 8 000～16 000為完全湍流狀態(tài)，且從Realizable k-ε模型的特點(diǎn)來看，由于考慮了旋轉(zhuǎn)的影響，比較適合于解決有旋流存在的問題，因此對于模擬對象選用此模型。耦合求解方法、離散格式及動量方程殘差設(shè)置與湍流相同。

湍動能方程：

耗散率輸送方程

式中：

Gκ—平均速度梯度引起的湍動能產(chǎn)生；

Gb—浮力影響引起的湍動能產(chǎn)生；

YM—可壓縮湍流脈動膨脹對總的耗散率的影響；

C1ε、C2ε、C3ε、C2、A0—經(jīng)驗(yàn)常數(shù)；

Fluent中默認(rèn)值為C1ε=1.44、C2ε=1.9、C3ε=0.09、C2=1.9、A0=4.0；

σκ、σε—分別為湍動能和湍動耗散率對應(yīng)的普朗特數(shù)；

Fluent中默認(rèn)值為σκ=1.0、σε=1.2。

2 邊界條件及流體物性參數(shù)

2.1 邊界條件

殼程入口邊界條件設(shè)置為速度入口，入口速度由雷諾數(shù)決定Re=8 000～16 000，流體入口溫度為300 K；出口邊界條件為壓力出口，為了使研究方便，出口壓力都設(shè)為0 Pa；本模型的壁面分為光滑的外壁和加有螺紋的內(nèi)壁，內(nèi)壁邊界條件采用恒壁溫的方式對殼程流體進(jìn)行加熱，溫度設(shè)置為350 K，外壁設(shè)置為絕熱邊界條件，熱流密度為零，壁面均采用無滑移壁面條件；湍流條件選擇湍流強(qiáng)度和水利直徑，其它均采用默認(rèn)設(shè)置。

2.2 流體物性參數(shù)

在現(xiàn)實(shí)工業(yè)生產(chǎn)應(yīng)用中，換熱器內(nèi)流體介質(zhì)大多數(shù)為水，因此本文在研究時，以水作為流體介質(zhì)很具有代表性。查水的物性參數(shù)表得到水的參數(shù)見表2。

3 結(jié)果與分析

3.1 不同螺旋螺紋圈數(shù)螺旋通道內(nèi)流動熱力性能分析比較

在入口處流體流動雷諾數(shù)為16 000時，研究截面為圓環(huán)的螺旋通道的模型和內(nèi)管加有不同螺紋圈數(shù)的螺旋通道模型在角度為180 °處截面上努塞爾特數(shù)和表面摩擦系數(shù)的變化情況，從而來分析螺旋流道本身結(jié)構(gòu)特點(diǎn)對流體流動和傳熱特性的影響。

表2 水的物理性參數(shù)

圖2 模型M1、M2和M3在距離入口180 °截面處速度場矢量圖和溫度圖

3.1.1 溫度場及速度場分布

結(jié)合圖2我們可以看出，三個模型螺旋流道內(nèi)流體流動的速度的最大值與內(nèi)管螺紋纏繞圈數(shù)成正比。從速度流線的分布來看，在同一截面處，內(nèi)管螺紋為七圈的模型M3螺旋流道內(nèi)流體的速度變化最大。對于溫度分布，與模型M1相比，相同截面下模型M3向外側(cè)的溫度分布更加明顯，由此可以得到螺紋纏繞圈數(shù)越多對擾動效果更加明顯，速度變化更加明顯，更加有利于換熱。

3.1.2 雷諾數(shù)對傳熱和流動性能的影響

圖3 距入口180 °截面處Nu數(shù)變化

圖3和4展現(xiàn)了在內(nèi)管上加有3、5和7圈相同槽深螺紋的三個模型在同一截面處（θ=180°），努賽爾數(shù)Nu及表面摩擦系數(shù)受雷諾數(shù)變化的影響。

圖4 距入口180 °截面處變化

圖5 模型M2、M4和M5在距離入口180 °截面處速度場矢量圖和溫度圖

分析發(fā)現(xiàn)，隨著雷諾數(shù)的增加，三個模型在同一截面處（θ=180 °）的努賽爾數(shù)也都在增加，且增加的趨勢是按照一次方程規(guī)律。從圖上可以看到隨著螺紋纏繞圈數(shù)的增加，模型在同一截面處（θ=180 °）的努賽爾數(shù)增加的趨勢也更加顯著。相反的，隨著雷諾數(shù)的增加，三個模型在同一截面處（θ=180 °）的摩擦系數(shù)都在減小，而且螺紋纏繞圈數(shù)越多的模型在同一截面處的摩擦系數(shù)越大。原因通過上面的分析，我們可以得到內(nèi)管螺紋圈數(shù)越多的模型換熱性能越好，但是我們不得不考慮摩擦系數(shù)對整體性能的影響。

3.2 不同螺紋槽深螺旋通道內(nèi)流動熱力性能分析比較

在入口處流體流動雷諾數(shù)為16 000時，研究不同螺紋槽深模型螺旋通道在角度為180 °處截面上努塞爾特數(shù)和表面摩擦系數(shù)的變化情況，從而來分析螺旋流道本身結(jié)構(gòu)特點(diǎn)對流體流動和傳熱特性的影響。

3.2.1 溫度場及速度場分布

結(jié)合圖5我們可以看出，相同截面下模型M5向外側(cè)的溫度分布更加明顯，這和速度差異分布的原因相同。通過以上分析，可以得到螺紋槽深越大對擾動效果更加明顯，速度變化更加明顯，更加有利于換熱。

3.2.2 雷諾數(shù)對傳熱和流動性能的影響

圖6和7展現(xiàn)了在內(nèi)管上加有不同槽深螺紋的三個模型在同一截面處（θ=180°），努賽爾數(shù)Nu及表面摩擦系數(shù)受雷諾數(shù)變化的影響。

由圖可知，隨著雷諾數(shù)的增加，三個模型在同一截面處的努賽爾數(shù)數(shù)在按著一次函數(shù)的規(guī)律逐漸增大，而表面摩擦系數(shù)在逐漸減小。從整體來看，模型M5在同一截面同一雷諾數(shù)下的努賽爾數(shù)最大，模型M2與之很接近，模型M4最小，另外，隨著雷諾數(shù)的增加模型M2和模型M5比模型M4的努賽爾數(shù)增加的更快，這一點(diǎn)可以從直線的斜率看出。這是因?yàn)椋S著雷諾數(shù)的增大，流體通道內(nèi)的擾流效果更加明顯，從而加強(qiáng)了換熱。而在同一截面處，相同雷諾數(shù)下，三個模型的表面摩擦系數(shù)的大小關(guān)系正好與努賽爾數(shù)的大小相同，表面摩擦系數(shù)更大，理由在前面已經(jīng)敘述過，這里不再贅述。

圖6 距入口180 °截面處Nu數(shù)變化

圖7 距入口180 °截面處變化

4 結(jié)論

1）通過研究不同螺紋纏繞圈數(shù)的螺旋流道內(nèi)流體流動和傳熱特性，得到在同一雷諾數(shù)下，努賽爾數(shù)及表面摩擦系數(shù)的大小與內(nèi)管螺紋纏繞圈數(shù)的多少成正比。

2）螺旋流道內(nèi)管螺紋不同槽深和螺紋纏繞圈數(shù)對流體流動和傳熱也有影響，在相同的雷諾數(shù)下，螺紋槽較深及較多螺紋圈數(shù)的螺旋流道對流體擾動更加明顯，使得換熱效果更好，而且相比之下，表面摩擦系數(shù)也越大。

綜上可知，隨著流道內(nèi)螺紋圈數(shù)及槽深的增加，可以大大提升換熱設(shè)備的效率，但是同時要考慮摩擦系數(shù)的增大，在產(chǎn)品的開發(fā)過程中需要綜合考慮兩者的影響。