螺旋套管式換熱器螺紋強化管程傳熱研究

王翠華，蘇方正，李光瑜，張文權，榮鐸，龔斌，吳劍華

工藝與裝備

螺旋套管式換熱器螺紋強化管程傳熱研究

王翠華，蘇方正，李光瑜，張文權，榮鐸，龔斌，吳劍華

（沈陽化工大學 機械與動力工程學院，遼寧 沈陽 110142）

基于實際工程應用，采用CFD軟件，建立了內管為螺紋管的新型螺旋套管式換熱器的三維實體模型，并使用管程流體與殼程流體耦合計算的方法進行模擬計算，重點分析了螺紋槽高和槽距等結構參數對管程流體流動與傳熱特性的影響。結果表明：螺紋的擾流和導流作用，改變了管程螺旋通道橫截面上的二次流結構，除在橫截面外側區域形成一個不規則主渦外，還在截面內側區域的近螺紋處產生了大小不一的附加渦旋。主渦和附加渦共同作用加劇了壁面和中心區流體的熱質交換，強化了換熱效果。在研究范圍內（=8 000～40 000），螺旋套管式換熱器內管采用螺紋管與內管采用光管相比換熱效果提高了約36%～143%。螺紋槽高及槽距對管程流體傳熱影響較大，和隨槽高的增加而增加，隨槽距的增大而減小。

螺旋套管式換熱器；耦合傳熱；強化傳熱；數值模擬

隨著工業生產的發展，人們越來越關注提高換熱設備的換熱效率［1］。套管式換熱器是一種高效的換熱設備，因其結構簡單，制造成本較低，廣泛地應用于化工、石油、動力、核能、石油、制冷等工程領域［2］。采用螺紋管作為內管應用在套管式換熱器中可實現螺紋和螺旋流動復合，達到強化傳熱的目的，故與同體積的光滑管相比換熱效果更好，抗污性能更優。

廣大中外學者對螺紋強化直套管換熱器管程傳熱性能的研究較多。史以齊［3］等分析了直螺紋管內流體的流動和傳熱性能與螺紋螺距、肋高、雷諾數的關系。葛銀海［4］等研究了新型螺紋結構對直螺紋管傳熱性能的影響。總結他們的研究結果發現，螺紋對直管內流體流動、傳熱的貢獻主要在于：螺紋的存在既增加了流體的換熱面積，又對管內流體產生擾動［5］，且螺紋間形成的螺旋槽道起到導流作用，加劇壁面和中心區域流體的熱質交換［6］。

目前，關于螺紋強化螺旋套管換熱器內流體傳熱的研究較少。袁宇陽［7］等采用實驗和數值模擬相結合的方法對不同結構的同軸螺旋管換熱器內流體的傳熱特性進行了初步研究，求出了換熱器總的傳熱系數，但對管程和殼程流體的具體特性并未做出詳細介紹。劉希祥［8］等采用數值模擬的方法分析了管程流體的流動及傳熱特性。林清宇［9］等的實驗研究表明，螺紋和螺旋管復合強化管程的傳熱效果與結構參數有關。

在實際應用過程中，套管式換熱設備的傳熱既包括管程流體、殼程流體與換熱管壁面的對流換熱，又有管子的導熱。為更貼近實際應用，本文采用CFD軟件，建立了內管為螺紋管的螺旋套管式換熱器的三維模型，并使用管程流體與殼程流體耦合計算的方法進行模擬，以揭示換熱器管程流體的流動與耦合傳熱特性以及螺紋槽距和槽深等參數對管程內流體流動與傳熱特性的影響。該研究對于此類新型高效螺旋套管換熱器的結構設計、綜合性能分析進行了有益的探索，具有重要意義。

1 耦合傳熱計算模型

1.1 物理模型及計算方法

根據實際工程應用中螺旋套管式換熱器的幾何尺寸建立了三維實體模型，如圖1所示。圖1中內管內壁采用螺紋結構，外管外徑為=30 mm，壁厚為1 mm；內管外徑為=20 mm，壁厚為2 mm，螺旋半徑為，槽高為，槽距為，管長為。

應用ANSYS fluent 19.0軟件，共建立了10種不同的內管尺寸，具體結構尺寸見表1。其中1號管為光滑管，2～10號管為螺紋管。1～7號管長為1 570.8 mm，8～10號管長785.4 mm。

銅作為管道材料，管程與殼程均以水作為傳熱介質，管程走熱水，殼程走冷水，且兩者做逆流運動。外管壁面絕熱，內管壁面為耦合條件。將入口設置為速度入口，管程流體入口溫度為353 K，殼程流體入口溫度為300 K，管程與殼程出口均設置為壓力出口，湍流模型選擇標準模型，同時選擇加強壁面函數，計算過程中設定分離變量法的隱式求解器，選擇SIMPLE算法來耦合速度和壓力，動量方程和能量方程采用二階迎風格式離散化，固體壁面上的速度為無滑移邊界條件，模型計算的收斂條件為質量計算殘差絕對值小于1×10-5。

圖1 螺旋套管式換熱器模型

表1 內管結構參數

1.2 模型驗證

為驗證上述數值模型和計算方法的可靠性，采用該方法對文獻［10］中單頭螺旋槽直管內流體流動和傳熱進行數值分析，并與其擬合關聯式進行對比，其對比結果如圖2所示。由圖2中可見，本文所模擬單頭螺旋槽直管的和與擬合值的平均誤差分別是3.77%和1.46%，驗證了本文數學模型和計算方法的可行性和準確性。

圖2 Nu和f與模擬結果對比

2 結果分析及討論

本文對表1列出的10個模型進行了模擬計算，用于分析槽高、螺距關鍵參數對內管采用螺紋管的螺旋套管換熱器管程內流體流動及換熱的影響。模擬計算時殼程流體恒定為10 000，管程流體的的范圍為8 000～40 000。

2.1 槽高h對管程流體的影響

圖3給出了不同模型的管程的對比，其中和0分別表示內管采用螺紋管和光滑管時螺旋套管式換熱器的管程努塞爾數。圖4給出不同模型與入口面旋轉角度=180°管程流體截面的速度矢量圖。

圖3 槽高h對管程Nu影響

由圖3中可見，內管采用螺紋管時，套管換熱器管程的明顯大于內管采用光滑管的值，在所研究范圍內，/0值在1.36～2.43之間，這說明內管采用螺紋管比內管采用光滑管換熱效果提高了約36%～143%。

圖4 管程θ=180°截面速度矢量圖

結合圖4分析螺紋復合螺旋流動增強截面二次流的情況，發現由于螺紋的擾動，流體流過螺紋凸起后引起邊界層脫離，在截面內側區域的近螺紋處產生大小不一的附加渦旋，螺紋間形成的槽道起導流作用，誘導近壁面處流體產生旋流流動，在橫截面外側區域形成了一個不規則主渦。正是擾流和導流的共同作用改變了光滑螺旋通道橫截面上的二次流結構（上下近似對稱的兩渦結構），并使得主渦和附加渦的強度均明顯高于光滑管內離心二次渦的強度。主渦和附加渦共同作用加劇壁面和中心區流體的熱質交換，強化換熱效果。

圖5給出了不同模型管程的對比，其中和0分別表示內管采用螺紋管和光滑管時螺旋套管式換熱器管程的阻力系數。在強化換熱的同時不可避免的增加流動阻力，從圖5中可見，內管采用螺紋管時，套管換熱器管程的明顯大于內管采用光滑管的值，在所研究范圍內，0值在3.61～12.23之間。結合圖4分析，螺紋結構起到擾流和導流作用，使得管程流體擾動程度增大，改變了截面上二次流的結構，強化了傳熱，但近螺紋處產生了大量附加渦旋，增加了近壁面處的剪切力，使得增加了流動阻力。

圖5 槽高h對管程f影響

對于同一模型，隨著的增大，管程不斷減小，且變化趨于平緩。對比圖4中的（b）和（c）兩圖，分析是因為隨著的增加，橫截面上的二次流強度明顯增大，近壁面處速度梯度減小，剪切力減小，出現下降，并且隨著的增加管程流體湍流擾動越劇烈，螺紋結構對流體流動的影響逐漸減弱，但/0變化不大。同一下，隨著增加，管程也在不斷增大，且/f增大明顯。

2.2 槽距P對管程流體的影響

圖6分別給出了不同螺旋套管式換熱器管程和管程與和的關系曲線。從圖6中可以看出，在同一雷諾數下，螺旋套管式換熱器的管程和管程隨著的減小而增大，并且增加的幅度也越來越大。因為螺紋雖然對流體進行連續擾動，但在螺旋通道內不同截面上對流體擾動的位置是不同的。當減小時，擾動圈數增加，擾動周期變短，故對流體的連續擾動強度增加，強化了傳熱，同時也增大了管程流體的流動阻力。

圖6 槽距P的影響

3 結 論

1）螺紋的擾流和導流作用改變了螺旋通道橫截面上二次流的結構，除在管程橫截面外側區域形成了一個不規則主渦外，還在截面內側區域的近螺紋處產生大小不一的附加渦旋，主渦和附加渦共同作用加劇壁面和中心區流體的熱質交換，強化換熱。

2）在研究范圍內（=8 000～40 000），螺旋套管式換熱器內管采用螺紋管與內管采用光滑管相比管程努塞爾數提高了36%～143%，強化傳熱效果明顯。

3）通過1～10號管模擬結果分析，螺紋槽高及槽距對管程流體傳熱影響較大，和隨槽高的增加而增加，隨槽距的增大而減小，且越低，強化傳熱效果越好。

[1] 吳帥. 螺旋板換熱器渦強化傳熱數值模擬研究[D].蘭州：蘭州交通大學，2020.

[2] 趙宇. 螺旋管內流動與核態沸騰傳熱數值研究[D].哈爾濱：哈爾濱工程大學，2019.

[3] 史以奇，李凌.螺紋管管內流動與傳熱的數值模擬[J].上海理工大學學報，2016，38（2）：133-136.

[4] 葛銀海，劉貴喜，劉峰，等.高效螺紋管結構優化數值模擬[J].石油機械，2018，46（12）：117-122.

[5] 倪利剛.超臨界壓力下氮在螺旋管換熱器小樣機內相變傳熱試驗研究[J].通用機械，2017（6）：48-53.

[6] 徐明海，劉文波，張知宇.樁基螺旋管換熱器數值模擬研究[J].建筑熱能通風空調，2017，36（7）：10-13.

[7] 袁宇陽，王學生，陳琴珠.橢圓扭曲螺旋管傳熱及流阻特性模擬研究[J].高校化學工程學報，2020，34（3）：671-678.

[8] 劉希祥. 螺旋管強化傳熱的CFD模擬優化與場協同分析[D].上海：華東理工大學，2018.

[9] 林清宇，劉鵬輝，馮振飛，等.螺旋通道內流體流動與傳熱特性研究進展[J].科學通報，2017，62（25）：2931-2940.

[10] 薛提微. 換熱器的熱力設計方法與性能評價[D].濟南：山東大學，2017.

Study on Heat Transfer Enhancement of Screw Thread in the Tube Side of Spiral Double-pipe Heat Exchanger

（College of Mechanical and Power Engineering, Shenyang University of Chemical Technology, Shenyang Liaoning 110142, China）

Based on the actual engineering application, using CFD software, the three-dimensional entity model of new spiral tube heat exchanger with thread inner tube was established, and simulation calculation was carried out by using the coupling calculation method of tube-side fluid and shell-side fluid, and the influence of structural parameters such as thread groove height and groove spacing on the fluid flow and heat transfer characteristics of the tube side was mainly analyzed. The results showed that the secondary flow structure of the spiral passage cross section was changed by the disturbance and diversion of the thread, and not only an irregular main vortex was formed in the outer part of the cross section, but also additional vortices of different sizes were generated in the inner part of the cross section near the thread. The interaction of main vortex and additional vortex intensified the heat and mass exchange between the wall and the central region and strengthened the heat transfer effect. In the research range (=8 000 ～ 40 000), the heat transfer effect of spiral tube heat exchanger using threaded tube was improved by 36%～143% compared with that using light tube. The height and distance of the threaded groove had great influence on the heat transfer of the fluid in the pipe.andincreased with the increase of the height of the groove, but decreased with the increase of the distance of the groove.

Spiral double tube heat exchanger; Coupled heat transfer; Fluid flow;Numerical simulation

遼寧省教育廳面上項目（項目編號：LJKZ0447）；國家自然科學基金資助項目（項目編號：51406125）；遼寧省博士啟動基金資助項目（項目編號：2019-BS-189）。

2021-11-10

王翠華(1978-)，女，博士，副教授，研究方向：化工過程設備的傳熱強化。

龔斌， E-mail: 1584043642@qq.com。

TK172

A

1004-0935（2022）06-0829-04