內(nèi)插扭帶換熱管的強(qiáng)化傳熱數(shù)值模擬分析研究

蘆 婭 妮

(隴東學(xué)院 化學(xué)化工學(xué)院，甘肅 慶陽(yáng) 745000)

1 內(nèi)插扭帶強(qiáng)化傳熱機(jī)理簡(jiǎn)介

在煉油化工行業(yè)，對(duì)于高粘度流體這種特殊介質(zhì)，由于其粘度高的特點(diǎn)很容易結(jié)垢，所以在換熱過(guò)程中要考慮其粘性，而現(xiàn)在常用的換熱設(shè)備是管殼式換熱器，管殼式換熱器不易清洗，所以對(duì)于高粘度流體應(yīng)用最為廣泛的是板式換熱器，而板式換熱器通道間距較小；同時(shí)在對(duì)流傳熱過(guò)程中，高黏度流體還有傳熱系數(shù)低、動(dòng)能消耗大等特點(diǎn)，因此換熱器的傳熱效率低。要解決上述問(wèn)題，研究人員經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，在傳統(tǒng)換熱管內(nèi)插入螺旋扭帶可以出現(xiàn)螺旋渦，從而提高管內(nèi)傳熱效率。

傳統(tǒng)換熱管內(nèi)插入扭帶是管內(nèi)強(qiáng)化傳熱的一種新型方式，是將扭帶本身作為一種擾動(dòng)元件固定在普通換熱管內(nèi)，插入的扭帶不僅可以加強(qiáng)流體的湍動(dòng)，還可以增加流體在管內(nèi)流動(dòng)的距離，使得管內(nèi)流體可以沿著扭帶螺旋流動(dòng)，使流體沿螺旋帶流動(dòng)時(shí)由于離心力的作用而產(chǎn)生二次渦流，二次渦流的形成可大大增強(qiáng)壁面附近流體速度脈動(dòng)，從而提高換熱效果。內(nèi)插扭帶具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、拆裝方便、性能穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，在對(duì)現(xiàn)有管殼式換熱器進(jìn)行改造時(shí)具有明顯的優(yōu)勢(shì)[1-4]。

2 數(shù)值模擬前處理

2.1 建立模型

本文研究的計(jì)算模型通過(guò)三維軟件PROE建立，建立長(zhǎng)度L=600mm,直徑D=40mm的換熱管如圖1所示，內(nèi)插扭帶模型如圖2所示，本文研究中取三種內(nèi)插扭帶螺距分別為S=40mm、45mm、50mm。管內(nèi)介質(zhì)設(shè)置入口溫度為80℃的水，壁溫為298℃，流量從5t/h到25t/h。

圖1 內(nèi)插扭帶管模型圖

圖2 內(nèi)插扭帶幾何模型

本文研究中流體在管內(nèi)流動(dòng)時(shí)各流場(chǎng)的參數(shù)隨時(shí)間是不發(fā)生變化的，因此管內(nèi)流體的流動(dòng)可看做是單相穩(wěn)態(tài)流動(dòng)，同時(shí)在我們所研究的速度范圍內(nèi)，流速都是比較小，所以管內(nèi)流體是不可壓縮、充分發(fā)展的流動(dòng)，可忽略重力的影響。即對(duì)該模型做出如下假設(shè)：(1)流體物性參數(shù)不隨時(shí)間變化，為定常值；(2)流體為不可壓縮的牛頓流體；(3)忽略重力和浮生力的影響；(4)忽略流體流動(dòng)時(shí)的黏性耗散作用產(chǎn)生的熱[5]。

CFD流體模型基于以下假設(shè)：

連續(xù)性方程：

動(dòng)量方程：

能量守恒方程：

2.2 數(shù)值模擬計(jì)算步驟

本文內(nèi)插扭帶換熱器的模擬計(jì)算部分主要分三點(diǎn)，具體如下[6]：

(1)模擬前處理階段：包括建立三維模型、網(wǎng)格劃分和網(wǎng)格檢查。

(2)數(shù)值計(jì)算階段：包括FLUENT軟件的網(wǎng)格讀入、模型控制方程的確定、模擬邊界條件的確定、FLUENT迭代計(jì)算。

(3)模擬后處理階段：包括數(shù)值和云圖的輸出。

3 傳熱及流動(dòng)阻力性能的模擬分析

3.1 流速分布分析

首先通過(guò)PROE建立三維模型，以內(nèi)插扭帶S=40mm模型為例導(dǎo)入前處理軟件Gambit進(jìn)行網(wǎng)格劃分，采用六面體劃分網(wǎng)格，然后導(dǎo)入到Fluent軟件進(jìn)行計(jì)算。選擇標(biāo)準(zhǔn)RNG k-ε模型，利用SIMPLE算法對(duì)以上方程進(jìn)行求解，可得到流體的流動(dòng)特性分布圖，計(jì)算出努塞爾數(shù)Nu和阻力系數(shù)fc。

圖3、圖4分別為光管和內(nèi)插扭帶管管內(nèi)軸向截面流速分布整體圖，由于關(guān)閉的粗糙度和流體的粘度，使得管內(nèi)壁存在較小的流速梯度，管軸線處存在最大流量；但是在管內(nèi)插入扭帶后，扭帶的螺旋導(dǎo)向作用就會(huì)改變管內(nèi)流動(dòng)的穩(wěn)定性，沿著軸線方向內(nèi)插扭帶管內(nèi)速度分布呈旋渦狀，扭帶對(duì)流體產(chǎn)生徑向及切向力起到旋流作用，流體沿扭帶流動(dòng)在旋流的作用下提高流速，出現(xiàn)擾流效果。

圖3 光管流體流速分布整體圖

圖4 內(nèi)插扭帶管流體流速分布整體圖

圖5、圖6分別為管內(nèi)橫向截面流速分布截面圖，從圖5可以看出，光管的管壁處出現(xiàn)明顯的梯度層，而在軸心處流速基本相等；內(nèi)插扭帶管內(nèi)流體形成了明顯的繞流，產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)并引起二次流近壁處切向流速增大，這使管內(nèi)流體徑向速度增大、湍流強(qiáng)度增加強(qiáng)化傳熱。同時(shí)，研究表明在離心力影響下管中心流體和壁面邊界層流體充分混合，造成一個(gè)溫度比較均勻、流度變化較為明顯的核心區(qū)域，同時(shí)在換熱壁面附近造成一個(gè)溫度和速度變化均比較先祖的邊界層區(qū)域，從而達(dá)到強(qiáng)化傳熱的效果[7-9]。

圖5 光管流體流速分布截面圖

圖6 內(nèi)插扭帶管流體流速分布截面圖

對(duì)比圖3到圖6光管與內(nèi)插扭帶管內(nèi)速度分布云圖可以看出，內(nèi)插扭帶管內(nèi)流體流速高并且變化更為劇烈，說(shuō)明內(nèi)插扭帶管管內(nèi)湍流強(qiáng)度更強(qiáng)，Nu數(shù)更大傳熱效果更好。

3.2 傳熱和阻力性能分析

模擬不同雷諾準(zhǔn)數(shù)Re(簡(jiǎn)稱雷諾數(shù))下的Nu及fc值，光管與內(nèi)插扭帶管的Nu及fc值的變化如圖7、圖8所示，可以看出光管和內(nèi)插扭帶管Nu數(shù)隨著Re數(shù)的增大而增大；fc數(shù)隨著Re數(shù)的增大而減少。當(dāng)Re數(shù)相同時(shí)，內(nèi)插扭帶管的Nu數(shù)與光管相比提高80%左右，而隨著Re數(shù)的增大，光管和內(nèi)插扭帶管的fc數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于光管，提高了約200%左右，這與吳雙應(yīng)和辛明道實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)相符[10-12]，這主要是由于管內(nèi)插入扭帶后管道流型容易發(fā)生變化。

圖7 光管和內(nèi)插扭帶管Nu值隨Re變化圖

圖8 光管和內(nèi)插扭帶管fc值隨Re變化圖

圖7、圖8表明內(nèi)插扭帶管強(qiáng)化換熱是以犧牲壓降為代價(jià)，一般認(rèn)為，流體在管內(nèi)沿著扭帶旋轉(zhuǎn)流動(dòng)及二次流的存在，使流體能量損失增大，同時(shí)流動(dòng)路徑增長(zhǎng)也增大了流動(dòng)摩擦面積，這些都是內(nèi)插扭帶管相比光管流動(dòng)阻力較大的原因。

3.3 不同螺矩扭帶換熱管的的性能分析

為研究改變內(nèi)插扭帶形狀而導(dǎo)致管內(nèi)流體傳熱特性的變化，對(duì)比分析了三種不同螺距的扭帶。采用控制變量法，只改變扭帶螺距，保持其他參數(shù)不變，對(duì)比分析三種扭帶的努塞爾數(shù)Nu及阻力系數(shù)fc值。

3種不同螺距扭帶具體參數(shù)如表1所示，Nu及fc值如圖9、圖10所示。

表1 三種不同螺距扭帶參數(shù)

圖9、圖10表明對(duì)內(nèi)插扭帶管來(lái)說(shuō)，可以看出當(dāng)Re數(shù)相同時(shí)，Nu數(shù)隨著螺距增加而緩慢增大；fc數(shù)隨著螺距增加而逐漸增大；而雷諾數(shù)增大時(shí)，不同螺距條件下的Nu數(shù)呈直線增大。

圖9 三種不同螺距內(nèi)插扭帶管的Nu值隨Re變化圖

圖10 三種不同螺距內(nèi)插扭帶管的fc值隨Re變化圖

從圖中還可看出，三種不同螺距扭帶Nu及fc值隨Re數(shù)變化趨勢(shì)完全保持一致，內(nèi)插扭帶強(qiáng)化換熱會(huì)引起努塞爾數(shù)和摩擦阻力同時(shí)增大，說(shuō)明螺距增加有利于二次渦，這使流體流動(dòng)更加劇烈，能起到強(qiáng)化傳熱的效果。

4 結(jié)論

通過(guò)數(shù)值模擬分析，內(nèi)插扭帶管的Nu數(shù)隨著Re數(shù)的增大而增大，相同Re數(shù)下內(nèi)插扭帶管的Nu數(shù)與光管相比提高56%-94%；內(nèi)插扭帶管的fc數(shù)隨著Re數(shù)的增大而減小，相同Re數(shù)下內(nèi)插扭帶管的fc數(shù)與光管相比提高200%-280%；對(duì)于不同螺距的內(nèi)插扭帶管，當(dāng)Re數(shù)相同時(shí)，Nu數(shù)隨著螺距增加而增大，fc數(shù)隨著螺距增加而增大。綜上所述，內(nèi)插扭帶管會(huì)增加管內(nèi)壓降來(lái)強(qiáng)化傳熱，以增大換熱面積和換熱效果。