螺旋套管換熱器多樣式內管殼程流體強化傳熱的數值分析

基金項目：遼寧省教育廳面上項目（項目編號：LJKZ0447）。

收稿日期： 2022-09-16

作者簡介： 戴玉龍（1977-），男，遼寧營口人，副教授，碩士，研究方向：高效化工過程設備的結構優化。

通信作者： 王翠華（1978-），女，副教授，博士，研究方向：高效化工過程設備的傳熱強化。

摘""""" 要：應用CFD軟件對內管為光管、螺紋管、橫向紋管和縱向紋管的螺旋套管換熱器殼程流體的流動及傳熱進行數值模擬，并將其模擬結果進行對比，分析其溫度場和速度場的細觀信息以揭示其殼程流體的換熱特性和流動特性。結果表明，在研究范圍內，內管為螺紋管的殼程流體流動和傳熱的綜合性能最佳，其綜合評價因子的值均在1.10以上，最大可達1.18；凸起螺紋對殼程流體起到擾流和導流的雙重作用，減薄了邊界層厚度，增強殼程流體的混合程度，實現了強化傳熱的目的，為工程實際應用提供幫助。

關nbsp; 鍵" 詞：螺旋套管換熱器；殼程流體；強化傳熱；流體流動

中圖分類號：TQ053.6"""" 文獻標識碼： A"""" 文章編號： 1004-0935（2024）02-0299-04

螺旋套管換熱器是一種新型高效換熱器，具有結構緊湊、占地面積小、傳熱效率高、使用壽命長、防結垢能力強等優點，已廣泛應用于空調、化工、石油等工業領域[1-2]。螺旋套管換熱器可將內管改用螺紋管，其螺紋內管和外套管之間的間隙通道（又稱為殼程）可看成內壁受外螺紋擾動的螺旋通道（流道模型如圖1（a）所示）。流體在流經以上殼程通道形成旋流流動時，一方面受曲率和離心力的影響，另一方面在近壁處受螺旋凸肋的持續無衰減擾動作用而產生局部渦旋流，破壞流體邊界層，實現增強傳熱效果的目的。

高學農等[3]對高螺旋比螺旋管換熱器殼側的傳熱與流動性能進行了數值研究，分析了管束中流體的速度場、溫度場及壓力場的分布特點，獲得了高螺旋比螺旋管管內努塞爾數和阻力系數的準則關系式。譚秀娟[4]建立了內管為波紋管的直套管換熱器模型，實現了套管換熱器波紋管結構的參數化建模，并用綜合平衡的方法確定最優的波紋管結構參數組合。俞接成[5]模擬了內管為光管和波紋管的套管換熱器在湍流情況下的換熱性能。得出相同工況下，波紋管換熱器換熱系數要比光管提高將近一倍。史以奇[6]針對不同槽深的螺旋管進行了研究，得出槽深增加到一定程度，近壁面處會形成死流，從而弱化換熱。王翠華等[7-9]分別對螺旋套管換熱器管程及殼程流體的湍流流動和換熱性能進行了數值模擬，給出了雷諾數、槽高對管程和殼程流體湍流流動及換熱性能的影響。為進一步研究采用不同結構的螺紋內管時螺旋套管換熱器殼程流體的換熱及流阻特性，本文建立了螺紋內管分布為光管、6頭螺紋管、6頭橫向紋管、6頭縱向紋管的幾何模型進行模擬仿真對比分析，并給出其流場和溫度場的細觀信息，以揭示其內流體流動和傳熱的特點。

1" 物理模型的建立

螺旋套管換熱器殼程流道的具體結構參數如下：曲率半徑R=150 mm、外螺距P=25 mm、外管半徑R0=10 mm、內管半徑r0=6 mm、螺紋槽高h=

1.4 mm、螺紋頭數N=6，右旋2圈。三種內管分別選用6頭螺紋管、橫向紋管、6頭縱向紋管，其具體結構分別示意于圖1的（b）、（c）和（d）中。無量綱參數（雷諾數Re、努塞爾數Nu、摩擦阻力系數f 、綜合評價因子）定義如下：

。""""""""""""" （1）

。""""""""""""" （2）

。"""""""""""""" （3）

。""""""" （4）

式中：ρ—流體密度，kg/m3；

v—流體速度，m/s；

d—當量直徑，m；

μ—黏性系數，Pa·s；

h—對流傳熱系數， W/（m2·K）；

λ—導熱系數，W/（m·K）；

Δp—進出口壓差，Pa；

l —管長，m；

Nu0和f0—分別為內管為圓管時殼程流道的努塞爾數和摩擦

阻力系數。

2" 網格劃分及邊界條件

本文用Proe軟件進行三維建模，然后導入CFD軟件中對模型進行網格劃分，網格采用四面體網格，并對近壁面處進行加密，其體網格做漸變處理來降低網格扭曲程度，內管為六頭螺紋管的殼程流道入口截面的網格劃分情況如圖2所示。

選用Realizable k-ε湍流模型，并結合壁面函數法。采用不可壓縮流體穩態流動，以水為工作介質，銅為管道壁面材料，采用均勻速度入口，壓力出口，殼程內壁面為恒定壁溫邊界面，溫度為350 K，外壁面為絕熱壁面，內外壁面均為無滑移邊界。壓力和速度的解耦計算采用SIMPLEC 算法，動量方程與能量方程離散格式采用二階迎風格式，采用穩態隱式格式求解，收斂殘差設定為10-4。網格的無關性驗證和模擬方法的可靠性驗證見文獻［9］。

3" 結果對比分析

經過模擬計算，螺旋套管換熱器不同內管結構的殼程流道的Nu、f 和的計算結果如圖3所示。由圖（a）可見，在相同雷諾數Re時，內管為橫向紋管、6頭螺紋管、6頭縱向紋管時殼程流道的Nu均明顯大于光管時殼程流道的Nu，且Re越大，Nu增加的愈加明顯，這說明大Re數時螺紋凸起對殼程流體強化傳熱的效果更為明顯。在橫向紋管、6頭螺紋管、6頭縱向紋管這三種內管中，6頭縱向紋管的強化傳熱效果最差，橫向紋管的強化傳熱效果最優，當然其流體的流動阻力也最大（見圖（b）中，相同Re時，f由大到小的內管結構依次為橫向紋管、6頭螺紋管、6頭縱向紋管和光管）。

經過模擬計算，螺旋套管換熱器不同內管結構的殼程流道的Nu、f 和的計算結果如圖3所示。由圖（a）可見，在相同雷諾數Re時，內管為橫向紋管、6頭螺紋管、6頭縱向紋管時殼程流道的Nu均明顯大于光管時殼程流道的Nu，且Re越大，Nu增加的愈加明顯，這說明大Re數時螺紋凸起對殼程流體強化傳熱的效果更為明顯。在橫向紋管、6頭螺紋管、6頭縱向紋管這三種內管中，6頭縱向紋管的強化傳熱效果最差，橫向紋管的強化傳熱效果最優，當然其流體的流動阻力也最大（見圖（b）中，相同Re時，f由大到小的內管結構依次為橫向紋管、6頭螺紋管、6頭縱向紋管和光管）。

高效傳熱的獲得往往是以犧牲流動損耗為代價的。為綜合衡量殼程流道的流動傳熱性能，圖3（c）給出了橫向紋管、6頭螺紋管、6頭縱向紋管這三種內管時殼程流道的綜合評價因子隨Re的分布情況。在研究范圍內，相對于另外兩個結構，內管為螺紋管的綜合評價因子最大，其值均在1.10以上，最大可達1.18，這說明內管為6頭螺紋管時其傳熱和流動的綜合性能最好，橫向紋管次之，6頭縱向紋管最差，尤其在Re數較小時，其值小于1.0。隨著Re數不斷增大，內管為6頭螺紋管的綜合評價因子在減小，說明內管為螺紋管的套管換熱器在Re數較低的情況下，傳熱和流動的綜合性能較好。

既然內管為6頭螺紋管時其傳熱和流動的綜合性能最好，為精簡研究內容，以下在描述殼程流道溫度場、速度場細觀信息對比分析中主要給出內管為螺紋管和光管的對比。

3.1" 流動情況

流體的流動特性直接影響流體的傳熱特性，故圖4和圖5分別給出了Re=10 000時兩種殼程流道內流體的跡線圖和同一位置處橫截面上的二次流矢量圖。為分析方便，全文的截面圖上部均為遠離軸心區域，下部為靠近軸心區域。從圖4（a）和圖5（a）可以看出內管為光管的殼程流體沿著流動方向向前運動，流動狀態穩定，橫截面上的二次流矢量為方向相反的兩渦結構，這是由于流體在螺旋流道中流動受離心力的作用而形成的，這和文獻[8]所得結論一致。從圖4（b）和圖5（b）中可見，在內管采用螺紋管的殼程流道內，流體沿著螺紋凸起做螺旋運動，螺紋凸起起到了導流的作用，改變了流體單一的流動方向，加劇了徑向的擾動，形成了復合螺旋流動。橫截面中二次流動明顯，但由于螺紋凸起的導流作用，破壞了原來的二次渦，所以未出現明顯的渦結構。

3.2" 溫度分布

本文截取從入口處旋轉約一圈的流道部分（開口處下端為入口、上端為出口）來分析殼程內流體的溫度分布狀況。Re=10 000時兩種殼程流道內流體的溫度云圖和同一位置處橫截面上的溫度等值線圖分別示于圖6和圖7中。由圖可見，殼程流體沿流道向前流動，逐漸被加熱，溫度升高，相較于光滑內管的螺旋流道，內管為螺紋管的殼程流體溫度升高更快。同一位置橫截面上，內管為螺紋管的殼程流體的溫度分布比內管為光管的更均勻，且數值遠大于光滑內管殼程流體的橫截面平均溫度，在螺紋凸起處流體的溫度梯度大于無凸起處，結合流體的速度分布可知，螺紋凸起對流體的擾流和導流作用改變了流體二次流的流動結構，加速了壁面流體和流道中心流體的混合，減薄了流體熱邊界層，強化了殼程流體的傳熱。

4" 結 論

對四種不同內管（內管為光管、橫向紋管、6頭螺紋管、6頭縱向紋管）的螺旋套管換熱器殼程內流體進行模擬計算，經分析得出以下主要結論：

1）在研究范圍內，四種內管模型中橫向紋管的強化傳熱效果最優，其流體的流動阻力也最大，內管為螺紋管的傳熱和流動的綜合性能最優，其綜合評價因子的值均在1.10以上，最大可達1.18。

2）在內管采用螺紋管的殼程流道內，流體除了沿著螺旋通道進行螺旋運動外，還受螺紋凸起的導流和擾動作用，橫截面上的原二次渦遭到破壞，形成了流體的這種復合螺旋運動。

3）相較于光滑內管的螺旋流道，同一位置橫截面上，內管為螺紋管的殼程流體的溫度分布比內管為光管的更均勻，且數值遠大于光滑內管殼程流體的橫截面平均溫度，在螺紋凸起處流體的溫度梯度大于無凸起處。

參考文獻：

[1]董其伍， 朱青， 劉敏珊. 換熱器強化傳熱技術[J]. 中國油脂， 2007， 32（2）： 62-64.

[2] 趙艷.淺談套管式換熱器的設計與維護[J].壓縮機技術，2018 （03）：37-41.

[3]高學農，鄒華春，王端陽，等，高螺旋比螺旋形變管的管內傳熱及流阻性能[J].華南理工大學學報，2008，36（11）：17-21.

[4]譚秀娟，王尊策，孔令真，等.套管式換熱器波紋管的數值模擬及結構參數優化[J].化工機械，2013，40（01）：77-81.

[5]俞接成，吳小華，劉全.套管換熱器湍流對流換熱的數值模擬[J].北京石油化工學院學報，2007（03）：35-38.

[6]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（02）：133-136.

[7]王翠華，蘇方正.螺旋套管式換熱器螺紋強化管程傳熱研究［J］. 遼寧化工，2022， 51（6）：829-832.

[8]王翠華，蘇方正.螺旋套管式換熱器螺紋擾流及耦合傳熱數值模擬［J］.遼寧化工，2022， 51（7）：939-942.

[9]王翠華，李光瑜，蘇方正，等. 螺旋套管換熱器殼程流體湍流換熱熱力性能數值研究[J].過程工程學報， 2022， 22（7）： 935-943.

[10] QIAN J Y， CHEN M R， WU Z， et al. A geometric study on shell side heat transfer and flow resistance of a six-start spirally corrugated tube[J]. Numerical Heat Transfer， Part A： Applications，2018，73（8）.

Numerical Analysis on Heat Transfer Enhancement of Shell Side

Fluid in Spiral Casing Heat Exchanger With Different Inner Tube

DAI Yulong 1， WANG Cuihua 2， LI Guangyu 2

（1. Guidao Jiaotong Polytechnic Institute， Shenyang Liaoning 110023， China;

2. Shenyang University of Chemical Technology， Shenyang Liaoning 110142， China）

Abstract：" CFD software was used to simulate the fluid flow and heat transfer in the shell side of spiral casing heat exchanger with smooth inner tube， threaded inner tube， transverse corrugated inner tubes and longitudinal corrugated inner tube. The simulation results were compared， and the performance of temperature field and velocity field were analyzed to tell the heat transfer characteristics and flow characteristics of the shell side fluid. The results showed that the overall performance of fluid flow and heat transfer in shell side of spiral casing heat exchanger with threaded inner tube was the best within the research scope， and the comprehensive evaluation factors were all above 1.10 with the maximum value of 1.18. The screw thread played a dual role of disturbing and guiding the fluid in the shell side， reducing the thickness of the boundary layer， enhancing the mixing of the fluid in the shell side， and strengthening the heat transfer， which could provide help for engineering applications.

Key words：" Spiral casing heat exchanger; Shell side fluid; Enhanced heat transfer; Fluid flow