開齒數對內置齒狀螺旋元件換熱管傳熱性能的影響

摘" " " 要： 在傳統管內螺旋強化傳熱元件基礎上提出一種新型內置齒狀螺旋元件換熱管，應用Fluent軟件在低雷諾數下對換熱管內的單液相中流速場和溫度場進行數值模擬，并探討了不同齒數對換熱管傳熱性能的影響。結果表明：在開齒數C分別為2、3、4和5的齒狀螺旋換熱管中，在Re=800時C=3齒狀螺旋元件換熱管的PEC最大（1.420），優于傳統傳熱元件以及其他3種齒數的換熱管。

關" 鍵" 詞：數值模擬；開齒數；傳熱性能；PEC值

中圖分類號：TQ021.3文獻標志碼：A" " "文章編號：1004-0935（2025）01-0097-04

換熱管由于具有結構可靠、技術成熟、設計與制造相對簡單、生產成本低、能承受高溫高壓、選材范圍廣、適應性強、處理清洗方便等優點被應用在能源、動力、核能、石油、冶金、制冷、化工等工程領域[1]。陸寒冰[2]用激光多普勒測速儀實驗測定與數值仿真模擬2種手段得到了立交盤式靜態混合器內的速度分布，測定流體由層流工況到湍流工況轉變的雷諾數臨界區間是50≤Re≤500。經過對比研究，結果表明換熱系數及場協同數為光管的4倍和2～6倍。睢輝等[3]在低雷諾數下模擬了水在內置不同寬度與螺距的螺旋片換熱管內的流動與傳熱特性，研究結果表明，在螺旋片的長度與寬度都較小時，換熱管近壁面區域流體可生成的橫向二次流對破壞邊界層的成形有著重要的作用；對螺旋片的長度加長或是降低螺旋片的寬度均可提升換熱管的傳熱效率。KONOPACKI等[4]分析了一種新型靜態混合片的換熱效率，并對其流動、溫度與換熱性能等方面進行探究，得到了強化傳熱的具體效果。喻九陽等[5]采用標準雙方程湍流模型，得到混合器內流場變化和壓降情況，并繪制出了不同速度下的壓降變化曲線。

對前人研究成果探究可知，在換熱管內部插入擾流元件可以有效地對管壁處的熱邊界層造成破壞，提升管壁區域的換熱效率，增大管內流體的平均溫度，所以對新型擾流元件的研究和開發具有非常廣闊的前景[6-9]。在SK型靜態混合元件的基礎上進行結構優化和改進，提出了一種新型管內強化傳熱元件，通過數值模擬的方法，改變開齒數，提出傳熱性能的評價方法，并對該換熱管傳熱性能的影響進行研究。

1" 物理模型及研究方法

1.1" 內置齒狀螺旋元件換熱管幾何結構

設計的內置齒狀螺旋元件換熱管組成元件為一根主管及4個混合元件，內置齒狀螺旋元件換熱管結構示意圖如圖1所示。

在換熱管內布置元件從兩相入口方向開始按順序排列為第1、2、3、4元件，4個扭轉片經過扭轉后并開齒，最終組成混合元件，齒狀螺旋元件的幾何模型如圖2所示。每個扭轉元件長度為L，寬徑比為2L/D，內置齒狀螺旋元件換熱管的幾何尺寸如表1所示。

1.2" 模擬方案

研究中設計的物理模型采用Solidworks建立，數值模擬主要通過Fluent軟件進行。換熱管內流質為液態水。

流體流動狀態的封閉控制方程包括連續性方程、動量方程與能量方程。雷諾數指入口處流體平均流速下雷諾數，表達式如下：

Re=ρvD/μ（1）

式中：v—流體的進口平均速度；

D—換熱管內徑；

μ—流體的動力黏度。

1.3" 綜合性能指數PEC

管內插入擾流元件可以有效提高管道的換熱性能，但同時也增加了流體流經管道時的阻力，若只追求換熱效果的提升而忽視阻力的增加，那么系統功耗會大大增加，所以在實際應用中應綜合分析二者的相對大小。綜合傳熱性能評價因子同時考慮了Nu和阻力系數f的影響，可以有效地評價管道的換熱性能，其具體表達式為：

（2）

式中：Nu、f—帶有插入元件管道的努塞爾數和阻力系數；

Nu0、f0—空管的努塞爾數與阻力系數[10]。

努塞爾數Nu計算式如下：

（3）

式中：λ—換熱管內流體的導熱系數，W·m-1·K-1；

h—管壁面對流換熱系數，W·m-2·K-1；

D—換熱管內徑。

換熱管內對流傳熱系數計算式如下：

（4）

式中：Q—總換熱量；

S—總換熱面積；

?t—恒壁溫工況下管內對流傳熱溫度差。

?t在恒壁溫條件下采用對數平均溫差，表達式如下：

（5）

式中：Tout—換熱管出口處流體平均溫度；

Tin—換熱管入口處流體平均溫度；

Tw—換熱管的壁面溫度。

分別將上式的h代入到公式（3）中得到努塞爾數Nu。摩擦阻力系數f的計算式如下：

（6）

式中：?p—換熱管內進出口流體的壓力差；

ρ—管內流體的密度；

u ?—管內流體的平均速度；

L—換熱管管長。

從PEC的表達式中可以看出，換熱管努塞爾數Nu增長的幅度大于管內摩擦阻力增長的幅度，換熱管就被認為達到了強化換熱的效果。需要注意的是，當綜合性能評價因子PEC在1以上時，所采取的強化傳熱手段才具有實施意義，并且PEC值越大表明強化傳熱的效果越好，越具有在工程上的實用價值。如果PEC值等于1時，則表明采用強化傳熱技術的換熱管與普通的換熱管的換熱效果等同；而當PEC值小于1時，則表明研究中所采用的強化傳熱技術換熱管的強化換熱效果要低于普通換熱管，此時建議使用普通換熱管。

1.4" 網格無關性檢驗

模擬結果的準確性與網格的數量、質量緊密相關，因此必須進行網格無關性驗證。通過調整網格的數量與大小，在雷諾數Re=800下對內置齒狀螺旋元件換熱管進行模擬，計算其努塞爾數，結果如圖3所示。

由圖3可以看出，當網格數量在低雷諾數達到220萬左右時，努賽爾數Nu的變化上下差值在0.01以內，所以為保障數值模擬計算結果的準確性，綜合考慮計算耗時與節約運算資源，選取220萬網格數量進行模擬。

2" 傳熱性能

2.1" 速度場與溫度場

探討了SK型換熱管和開齒數C為1、2、3、4的內置齒狀螺旋元件換熱管。探究了雷諾數Re=800時SK型換熱管、不同開齒數內置齒狀螺旋元件換熱管在第4個元件出口截面處的軸向截面速度分布，結果如圖4所示。之后，分析了Re=800時SK型換熱管和不同開齒數內置齒狀螺旋元件換熱管在元件末端截面處速度分布和溫度分布，結果如圖5、圖6所示。

由圖4可以看出，管內流體由螺旋方向的引導，沿著螺旋的旋轉方向做整體多股流螺旋運動，當流體經過管壁時，形成漩渦使得內置齒狀螺旋元件換熱管截面內速度比SK型換熱管更為均勻，管壁處高速區范圍比SK型換熱管更大，邊界層更薄。隨著傳熱元件開齒數的增多，內置齒狀螺旋元件換熱管的截面內速度變化不明顯，開齒數的變化影響不明顯。

由圖5可以看出，該換熱管與SK型換熱管相比，高流速區更靠近管壁，在近壁處速度邊界層相對薄。隨著開齒數的變化，速度云圖有變化但變化不明顯。

由圖6可以看出，內置齒狀螺旋元件換熱管的溫度分布較SK型換熱管更加均勻，管內流體與管壁的溫度梯度更小。這是因為流體受到元件結構的作用打破了影響熱量傳遞的溫度分層，讓流體可以更加高效地吸收來源于換熱管壁面的熱量，達到減小換熱管內溫度梯度、提升溫度均勻性的目的。開齒數為3時云圖溫度更加均勻。

2.2" 換熱努塞爾數Nu

為了探究新型內置齒狀螺旋元件換熱管不同開開齒數條件下的強化換熱效果，對其努賽爾數進行數值計算，并與SK型換熱管的努塞爾數進行對比，結果如圖7所示。

由圖7可以看出，內置齒狀螺旋元件換熱管比SK型換熱管Nu要高，內置齒狀螺旋元件換熱管在不同開齒數條件下努塞爾數Nu差別不大。SK型換熱管努塞爾數為25.60173，開齒數為2時努塞爾數為35.47762，開齒數為4時努塞爾數為35.910 00，計算可知，內置齒狀螺旋元件換熱管Nu數為SK型換熱管的1.39～1.40倍，說明內置齒狀螺旋元件換熱管比SK型換熱管換熱效果更好。隨著開齒數C的變大，圖中曲線趨于平緩，說明開齒數變化的影響小。

2.3" 阻力系數f

關于不同條件下換熱管內流體的流動阻力特性，可依據模擬運算中管內進出口壓力降進一步計算得到，結果如圖8所示。

由圖8可以看出，SK型換熱管的阻力系數f比內置齒狀螺旋元件換熱管要小，換熱管阻力系數f隨開齒數變化不明顯。SK型換熱管阻力系數f為0.55248，開齒數為3時阻力系數f為1.05059，開齒數為4時阻力系數f為1.06116，可由簡單計算算出，內置齒狀螺旋元件換熱管的阻力系數f為SK型換熱管的1.90～1.92倍。隨著開齒數C的變大，圖中曲線趨于平緩，開齒數目的多少使流體的流動速度受到影響，但影響較小。

2.4" 綜合性能評價因子PEC值

基于模擬數據，計算了SK型換熱管和內置齒狀螺旋元件換熱管的綜合性能評價因子PEC，結果如圖9所示。

由圖9可以看出，綜合性能評價因子PEC隨開齒數C改變的變化曲線近似拋物線形式。C=0時為SK型換熱管的PEC值，它和內置齒狀螺旋元件換熱管PEC值始終大于1，而且內置齒狀螺旋元件換熱管PEC值要大于SK型換熱管。SK型換熱管PEC值為1.2547，開齒數為2齒時PEC值最低為1.4024，開齒數為3齒時PEC值最高為1.4203，內置齒狀螺旋元件換熱管的PEC值是SK型的1.12～1.13倍。因此，內置齒狀螺旋元件換熱管綜合性能優于SK型換熱管，在開齒數為3時內置齒狀螺旋元件換熱管綜合性能最佳。

3" 結 論

1）新型內置齒狀螺旋元件換熱管在結構設計上相對于前人的研究成果具有一定創新性，傳熱效果進一步獲得提升。

2）在開齒數C分別為2、3、4和5的齒狀螺旋換熱管中，在Re=800時，C=3齒狀螺旋元件換熱管的PEC最大，為1.420，綜合性能優于其他3種開齒數的換熱管。

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Influence of Teeth Number on Heat Transfer Performance of Heat Exchange Tubes with Built-in Toothed Spiral Elements

YEHanyu， TIAN He， SUNMing， ZHANGQingguan

（Shenyang University of Chemical Technology， ShenyangLiaoning 110142，China）

Abstract：A new type of heat exchange tube with built-in toothed spiral elementswas proposed on the basis of the traditional spiral heat transfer element in the tube. Fluent software was used to numerically simulate the flow rate and temperature field in the single liquid phase in the heat exchange tube at low Reynolds number， and the influence of different tooth number on the heat transfer performance of the heat exchange tube was discussed. The results showed that， in the toothed spiral heat exchange tubes with the opening number C of 2， 3， 4 and 5， under Re=800， the toothed spiral heat exchange tube with C=3 had the largest PEC （1.420）， which was superior to the traditional heat transfer elements and the heat exchange tubes with other three kinds of teeth number.

Key words：Numerical simulation; Number of teeth; Heat transfer performance; PEC