內(nèi)置旋轉(zhuǎn)柔性螺旋片換熱管強(qiáng)化傳熱數(shù)值模擬

摘 要：本文以提出的污水源熱泵系統(tǒng)內(nèi)置柔性可旋轉(zhuǎn)螺旋片換熱管為研究對象，利用Fluent軟件分析不同寬度、不同螺距、不同轉(zhuǎn)速下?lián)Q熱管的強(qiáng)化換熱和除垢、抑垢情況。研究結(jié)果表明，傳統(tǒng)光管的換熱效果比內(nèi)置柔性旋轉(zhuǎn)螺旋片換熱管差。當(dāng)轉(zhuǎn)速為10rad/s、寬度為12mm、螺距為10mm時，旋轉(zhuǎn)螺旋片管為最優(yōu)換熱管。

關(guān)鍵詞：旋轉(zhuǎn)螺旋片；數(shù)值模擬；螺距

中圖分類號：TK 124" " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

根據(jù)暖通空調(diào)行業(yè)統(tǒng)計，由建筑物制冷、供暖、生活熱水等消耗的能源總量占建筑能耗的絕大部分，高達(dá)85%左右[1]。污水源熱泵技術(shù)是利用污水中的能量滿足人們?nèi)粘Ｐ枰墓?jié)能技術(shù)。傳統(tǒng)光管無論是換熱性能還是清除換熱管中沉積污垢的能力都難以讓人滿意。由于旋轉(zhuǎn)螺旋片的轉(zhuǎn)動特性對在線除垢、防垢和強(qiáng)化傳熱效率有直接影響，因此研究換熱管內(nèi)流場的流動特性（如速度、壓力分布等）對提高換熱管的傳熱特性具有重要意義。采用數(shù)值模擬方法研究換熱器的速度場、溫度場以及壓力場[2]，可以克服使用試驗(yàn)方法無法觀察結(jié)構(gòu)對流和傳熱微觀狀況的不足，因此對轉(zhuǎn)子進(jìn)行數(shù)值模擬，可形象地展示轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)參數(shù)和轉(zhuǎn)動特性對強(qiáng)化傳熱的影響。

1 數(shù)學(xué)模型及其求解

1.1 模型的建立

內(nèi)置可旋轉(zhuǎn)柔性螺旋片換熱管模型的管徑D=24mm、管長L=100mm。螺旋片內(nèi)徑與寬度、外徑有關(guān)，外徑d1=22mm。為比較不同螺距的換熱管，螺距s從大到小分別為50mm、40mm、30mm、20mm、10mm。寬度=d1-d2。為比較不同寬度的換熱管，寬度的取值從大到小分別為17mm、14.5mm、12mm、9.5mm、7mm、4mm、2mm。為比較不同轉(zhuǎn)速的換熱管，轉(zhuǎn)速的取值從大到小分別為40rad/s、30rad/s、20rad/s、10rad/s、0rad/s。物理模型如圖1所示。

以上模型中，螺旋片與履帶、軸承連接，電機(jī)轉(zhuǎn)動帶動管內(nèi)的柔性螺旋片旋轉(zhuǎn)。與本課題類似的內(nèi)置可旋轉(zhuǎn)柔性單螺旋換熱器已經(jīng)申請了實(shí)用新型專利保護(hù)[3]。

數(shù)學(xué)模型建立完成后就要進(jìn)行網(wǎng)格劃分，通過網(wǎng)格劃分，原來的數(shù)學(xué)模型就可看作一個個小的單元。考慮網(wǎng)格數(shù)量與質(zhì)量對計算的影響，本課題將網(wǎng)格間距設(shè)置為1mm。最終劃分的網(wǎng)格如圖2所示。

1.2 邊界條件的設(shè)置

網(wǎng)格劃分是數(shù)值模擬的第一步，第二步為設(shè)置邊界條件，邊界條件的設(shè)置對導(dǎo)入Fluent后的計算十分重要。

由于管內(nèi)的流體為污水，因此將VELOCITY_INLET（速度入口）設(shè)置為入口條件，溫度和流速等入口流體參數(shù)需要后續(xù)在Fluent中進(jìn)行設(shè)置。將OUTFLOW（自由出流）設(shè)置為出口條件。將換熱管外壁與螺旋表面邊界條件設(shè)置為WALL，不考慮換熱管外壁溫度變化。由于模擬中將使用動網(wǎng)格，同時管內(nèi)流體為污水，因此將管內(nèi)流體設(shè)置為FLUID。

1.3 Fluent計算設(shè)置

將GABIT輸出的mesh文件輸入FLUENT，設(shè)置導(dǎo)入單位為mm。求解器選用壓力求解器Pressure Based（壓力求解器）、Implicit（隱式算法）、3D（三維模型）和Unsteady（非定常流動），其他條件默認(rèn)。選用k-ε方程來計算紊流模型，在Define Boundary Conditions中定義邊界條件，設(shè)定管內(nèi)流體為水，入口定義為速度入口，進(jìn)口流速0.3m/s，溫度為296K，出口為自由出流。換熱管外壁設(shè)置成恒壁溫條件，溫度為307K，管壁材料設(shè)置為銅，螺旋材料設(shè)置為不銹鋼。導(dǎo)入UDF，對動網(wǎng)格區(qū)域進(jìn)行設(shè)置。

2 計算結(jié)果及對比分析

2.1 速度場分布

流速為0.3m/s時內(nèi)置旋轉(zhuǎn)柔性螺旋片換熱管與光管的流線圖分別如圖3、圖4所示。

圖3的流線相對獨(dú)立，流線間相互沒有影響，流體的狀態(tài)為層流，此狀態(tài)的流體換熱效率較低。圖4中的流線與圖3的流線截然不同，整體呈紊流的流態(tài)。螺旋片的旋轉(zhuǎn)會給附近流體施加一股切向的動力，靠近管壁的流體受螺旋片影響大，因此靠近管壁的流體紊流狀態(tài)更明顯，靠近管中心的流體受螺旋片影響小，因此靠近管中心的流體流態(tài)接近層流。由于增加了切向的動力，增強(qiáng)了管內(nèi)流體的擾動，因此管內(nèi)的對流換熱熱阻降低，最終管內(nèi)的換熱效率得到了提高。

2.2 螺距對旋轉(zhuǎn)螺旋片換熱管換熱效率的影響

為比較不同螺距下的轉(zhuǎn)柔性螺旋片與傳統(tǒng)光管的換熱效果，分別模擬當(dāng)螺旋片寬度為17mm、轉(zhuǎn)速為10rad/s時，螺旋片的螺距從小到大分別為10mm、20mm、30mm、40mm、50mm的換熱管。換熱管出口溫度統(tǒng)計表見表1。

本文將不同螺距螺旋片換熱管與傳統(tǒng)光管出口截面平均溫度的數(shù)據(jù)進(jìn)行了整理，最終得出的折線圖如圖5所示。

從圖5可以看出，5種螺距的螺旋片管出口截面溫度均遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)光管，說明5種螺距的螺旋片管換熱效率比傳統(tǒng)光管高。螺旋片管出口截面平均溫度隨螺距縮短不斷增加，當(dāng)螺距為10mm時達(dá)到最大。

2.3 轉(zhuǎn)速對旋轉(zhuǎn)螺旋片換熱管換熱效率的影響

為比較不同轉(zhuǎn)速下旋轉(zhuǎn)螺旋片換熱管與傳統(tǒng)光管的換熱效果，分別模擬轉(zhuǎn)速為0rad/s、10rad/s、20rad/s、30rad/s、40rad/s的換熱管。此換熱管螺距為20mm，換熱管出口溫度統(tǒng)計表見表2。

本文將不同轉(zhuǎn)速螺旋片換熱管與傳統(tǒng)光管出口截面平均溫度的數(shù)據(jù)進(jìn)行了整理，最終得出的折線圖如圖6所示。

從圖6可以看出，5種轉(zhuǎn)速的螺旋片管出口截面溫度均遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)光管，說明5種轉(zhuǎn)速的螺旋片管換熱效率比傳統(tǒng)光管高。螺旋片管出口截面平均溫度隨轉(zhuǎn)速提高不斷增加，當(dāng)轉(zhuǎn)速為40rad/s時達(dá)到最大；但當(dāng)轉(zhuǎn)速≥10rad/s時，隨著轉(zhuǎn)速的提高，出口截面平均溫度增加較少。

2.4 寬度對旋轉(zhuǎn)螺旋片換熱管強(qiáng)化換熱的影響

為比不同寬度下旋轉(zhuǎn)柔性螺旋片與傳統(tǒng)光管的換熱效果，在螺距10mm、轉(zhuǎn)速10rad/s保持不變的前提下，分別模擬寬度為17mm、14.5mm、12mm、9.5mm、7mm、4mm、2mm的換熱管，換熱管出口溫度統(tǒng)計表見表3。

本文將不同寬度螺旋片換熱管與傳統(tǒng)光管出口截面平均溫度的數(shù)據(jù)進(jìn)行了整理，最終得出的折線圖如圖7所示。

從圖7可以看出，7種寬度的螺旋片管出口截面溫度均遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)光管，說明7種寬度的螺旋片管換熱效率高于傳統(tǒng)光管。螺旋片管出口截面平均溫度隨寬度增加不斷增加，換熱效率不斷提高。當(dāng)寬度＜12mm時，出口截面溫度明顯增加；當(dāng)寬度≥12mm時，出口截面溫度增加不明顯。

隨著寬度增加，換熱管內(nèi)的螺旋體積不斷增大，螺旋體積增大將提高螺旋本身對流體的擾動作用，從而不斷提升換熱管內(nèi)的紊流強(qiáng)度。螺旋片的旋轉(zhuǎn)則會進(jìn)一步為管內(nèi)流體提供動力，不斷加強(qiáng)管內(nèi)流體的摻混，從而提升換熱管的換熱效率。當(dāng)寬度為12mm時，換熱管內(nèi)的紊流狀態(tài)已十分充分，此時增加寬度，無法有效提升換熱管的傳熱效率。如果繼續(xù)增加寬度，就會繼續(xù)增加管內(nèi)阻力，造成動力上的浪費(fèi)。因此，在轉(zhuǎn)速與螺距一定的情況下，寬度為12mm的換熱管應(yīng)為最優(yōu)換熱管。

3 結(jié)論

針對污水容易在管內(nèi)結(jié)垢的問題，本文建立了內(nèi)置可旋轉(zhuǎn)柔性螺旋片換熱管的物理模型，并利用Fluent軟件對換熱管進(jìn)行模擬分析，所得結(jié)論如下。1）內(nèi)置旋轉(zhuǎn)螺旋片換熱管既可以提升換熱管換熱效果，又可以抑制管內(nèi)污垢的附著，一舉兩得。2）5種螺距的螺旋片管出口截面溫度均遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)光管，說明5種螺距的螺旋片管換熱效率高于傳統(tǒng)光管。螺旋片管出口截面平均溫度隨螺距縮短不斷增加，當(dāng)螺距為10mm時達(dá)到最大，說明螺距為10mm時換熱效果最好。3）5種轉(zhuǎn)速的螺旋片管出口截面溫度均遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)光管，說明5種轉(zhuǎn)速的螺旋片管換熱效率高于傳統(tǒng)光管。螺旋片管出口截面平均溫度隨轉(zhuǎn)速增加不斷增加。當(dāng)轉(zhuǎn)速為40rad/s時達(dá)到最大，但當(dāng)轉(zhuǎn)速≥10rad/s時，隨著轉(zhuǎn)速增加，出口截面平均溫度增加較少，說明轉(zhuǎn)速為10rad/s時為最優(yōu)換熱管。4）7種寬度的螺旋片管出口截面溫度均遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)光管，說明7種寬度的螺旋片管換熱效率高于傳統(tǒng)光管。螺旋片管出口截面平均溫度隨寬度增加不斷增加，換熱效率不斷提高。當(dāng)寬度＜12mm時，出口截面溫度明顯增加；當(dāng)寬度≥12mm時，出口截面溫度增加不明顯，說明寬度為12mm時為最優(yōu)換熱管。

考慮換熱效率與節(jié)能的影響，本文認(rèn)為轉(zhuǎn)速10rad/s、寬度12mm、螺距10mm的旋轉(zhuǎn)螺旋片管為最優(yōu)換熱管。

參考文獻(xiàn)

[1]程桂林.污水源熱泵系統(tǒng)設(shè)計及性能分析[J].中國房地產(chǎn)業(yè)，2011（11）：1.

[2]唐志偉，閆桂蘭，高麗麗.管內(nèi)插入紐帶的強(qiáng)化傳熱數(shù)值模擬[J].工程熱物理學(xué)報，2008，29（7）：1211-1214.

[3]谷雅秀，劉偉，任亞棚，等.一種內(nèi)置旋轉(zhuǎn)柔性螺旋桿的強(qiáng)化換熱器：CN204963610U[P].2016-01-13.