螺旋格柵紐帶開發(fā)及其綜合換熱性能分析

吳金星，彭 旭，李俊超，劉青鋒，賀 敏，李國立

(1．鄭州大學(xué) 化工與能源學(xué)院，河南 鄭州450001;2．河南力威熱能設(shè)備制造有限公司，河南 鄭州450101)

0 引言

對于大直徑換熱管(如Ф≥25 mm)的內(nèi)部強化換熱，要改變換熱管的幾何形狀，加工難度較大，因此常采取增設(shè)管內(nèi)插入物的方法，如內(nèi)插各種型式的翅片或擾流子等． 各種翅片的加工成本較高且重量較大，而管內(nèi)插入擾流子則是一種結(jié)構(gòu)簡單、更加經(jīng)濟實用的方法［1］．高翔等［2-3］把管內(nèi)插入擾流子形成的旋流分為衰減性旋流和非衰減性旋流兩種，研究表明，螺旋肋片形成的非衰減性旋流比多翅管和衰減性旋流在傳熱系數(shù)上分別提高60% ～85%和49%，但其阻力損失也較大，在較低Reynolds 數(shù)下非衰減性旋流的綜合熱力性能較好．文獻［4 -11］表明，在各種型式的管內(nèi)插入物中，螺旋紐帶具有結(jié)構(gòu)簡單、加工方便、強化傳熱、經(jīng)濟實用的良好綜合性能．筆者針對燃氣真空鍋爐中較大直徑的換熱管，用插入物來強化管內(nèi)自來水的對流換熱，重點是減小管內(nèi)流阻，在綜合分析現(xiàn)有管內(nèi)插入物結(jié)構(gòu)及性能特點的基礎(chǔ)上，開發(fā)了一種新型螺旋格柵紐帶．

1 新型螺旋格柵紐帶的開發(fā)

流體在圓管內(nèi)充分發(fā)展流動時，中心區(qū)域流體速度較大但速度梯度很小，而近壁處存在著流體速度較小但速度梯度較大的滯留層，流體與管壁的對流換熱熱阻主要集中在滯留層中． 管內(nèi)插入普通紐帶可使管內(nèi)全部流體產(chǎn)生螺旋流動，有效強化流體對流換熱，但管內(nèi)流體的流阻也顯著增大，從而增加了泵功耗［1］． 為了減小管內(nèi)流體的流阻，筆者開發(fā)了一種螺旋格柵紐帶．格柵紐帶的加工工藝如下:首先按照換熱管的內(nèi)徑和長度剪裁出金屬片，接著在薄平金屬片上按照設(shè)計尺寸間隔銃軋出矩形孔，然后按照預(yù)定紐率扭制成格柵狀．格柵紐帶的整體結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)為變形的矩形孔和孔橋交替排列的形式，與普通紐帶的對比如圖1 所示．格柵紐帶中心區(qū)域被挖空，使得管內(nèi)中心區(qū)域速度較大的流體直接掠過紐帶，不再產(chǎn)生旋流，而近壁區(qū)流體在格柵紐帶的誘導(dǎo)下產(chǎn)生非衰減性旋流，不但增大了滯留層流體速度，而且改變了流體的流動方向，能有效提高流體的湍流度，從而達到強化管內(nèi)對流傳熱的目的．

格柵紐帶屬于非衰減性螺旋發(fā)生裝置［2］，在真空鍋爐的換熱管中全程放置．如換熱管內(nèi)徑Di為20 mm 時，格柵紐帶一般選取厚度δ 為1 mm、寬度b 為19 mm(略小于管內(nèi)徑)的不銹鋼金屬片扭制而成，紐帶的紐率y 定義為紐帶扭轉(zhuǎn)180°沿軸線的延伸長度H 與紐帶寬度b 之比．

圖1 格柵紐帶與普通紐帶結(jié)構(gòu)對比圖Fig．1 Comparison of structure between grid twisted tape and ordinary twisted tape

2 格柵紐帶強化管內(nèi)換熱機理分析

2．1 換熱管流通截面當(dāng)量直徑減少

格柵紐帶插入換熱管后，管內(nèi)流體的流通區(qū)域被分隔成兩部分，格柵紐帶占據(jù)了管內(nèi)部分流通截面，其當(dāng)量直徑的計算公式為

式中:A1為流通截面積，m2;C1為流道潤濕周長，m．

從式(1)可見，換熱管插入紐帶后，其當(dāng)量直徑比光管內(nèi)徑?。?］，在相同流量下管內(nèi)流體流速自然會增大，有利于強化換熱．

2．2 螺旋流動速度增大

管內(nèi)插入格柵紐帶后，流體在管內(nèi)做螺旋流動，與光管相比流體流程增長，在流量不變的情況下，管內(nèi)流體流速必然增大，且流體的湍流度增強，對管內(nèi)壁面沖刷更加強烈，使壁面流體滯留層遭到破壞，對流換熱得到強化．

2．3 離心力引發(fā)二次流

當(dāng)流體在管內(nèi)流動時，格柵紐帶使近壁區(qū)流體產(chǎn)生螺旋流動和離心力，離心力和管壁面的反作用力使流體產(chǎn)生二次流．文獻［4 -6］通過對螺旋流動數(shù)值研究指出，隨著Re 增加和紐率減小，紐帶一側(cè)的二次流由一個變成兩個． 設(shè)管內(nèi)插入格柵紐帶后產(chǎn)生二次流的合成速度為u2s，管內(nèi)流體整體螺旋運動的合成速度是us，則合成速度為

由式(2)可知，換熱管內(nèi)部存在較大的二次流速，必然會加強管內(nèi)各部分流體的摻混，具有強化換熱的作用．

3 格柵紐帶與普通紐帶的綜合性能模擬

3．1 物理模型與模擬方法

在相同紐率、相同結(jié)構(gòu)參數(shù)和相同工況下，建立格柵紐帶和普通紐帶的三維幾何模型． 選取格柵紐帶模型參數(shù)為:紐帶中心區(qū)的矩形孔尺寸為15 mm×9 mm，矩形孔中心間距為20 mm，紐率y=4．2．普通紐帶(中心區(qū)無開孔)主要結(jié)構(gòu)參數(shù)與格柵紐帶相同．

計算過程做如下假設(shè):①不考慮重力影響;②所有液-固接觸面為無滑移;③流體流過管后無質(zhì)量增加;④管壁為等壁溫;⑤流體為不可壓縮穩(wěn)態(tài)流體．模擬條件設(shè)置為:換熱介質(zhì)為水，進口流量為0．147 kg/s．邊界條件為:操作在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下進行，選取進口溫度為288 K;換熱管設(shè)為恒壁溫，壁面溫度為358 K;換熱管進出口采取周期性邊界條件．采用標(biāo)準(zhǔn)k -ε 方程湍流模型;壓力與速度的耦合采用SIMPLE 算法;動量、能量及湍流參量的求解采用二階迎風(fēng)格式，能量方程殘差控制在10-8數(shù)量級，其余方程殘差控制在10-6數(shù)量級．

在模型的網(wǎng)格劃分時，因為近壁區(qū)流體速度梯度很大，所以近壁區(qū)網(wǎng)格需要加密處理，以確保計算結(jié)果的精確性． 綜合考慮計算機的性能和經(jīng)濟性，筆者進行了網(wǎng)格獨立性驗證． 以扭率y =1．05為例，分別取網(wǎng)格數(shù)量為30 萬、40 萬、50 萬、60 萬、70 萬進行計算，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，當(dāng)網(wǎng)格數(shù)大于60 萬時，換熱系數(shù)和壓降的計算結(jié)果基本穩(wěn)定，因此，判定網(wǎng)格數(shù)為60 萬時已能滿足計算精度要求．

3．2 格柵紐帶與普通紐帶的綜合性能分析

在相同工況條件下，格柵紐帶和普通紐帶的計算結(jié)果見表1．可見，格柵紐帶比普通紐帶的換熱系數(shù)減小了8．6%，同時其單位管長壓降比普通紐帶減小了32%．這是因為格柵紐帶的中心區(qū)域開孔，紐帶的堵塞面積減少了近20%，使中心區(qū)域流體做直線流動，管內(nèi)壓降必然顯著減小．

表1 兩種紐帶在相同工況下?lián)Q熱系數(shù)與壓降對比Tab．1 Comparison of heat transfer coefficient and pressure drop of two kind twisted tapes under identical conditions

用公式J=(h/h0)/(▽P/▽P0)1/2來評價紐帶的綜合性能［3］，評價因子J 的數(shù)值大于1，說明格柵紐帶的綜合性能優(yōu)于普通紐帶．

3．3 內(nèi)置格柵紐帶的管內(nèi)流場分析

圖2(a)是格柵紐帶開孔中心處橫截面流場圖，圖2(b)是格柵紐帶孔橋處橫截面流場圖．兩處的流場分布皆可看出，流體在橫截面上呈現(xiàn)較強的螺旋流動，并產(chǎn)生由內(nèi)到外流動趨勢，從而促使各部分流體的充分摻混，達到強化換熱的目的．

圖2 內(nèi)插格柵紐帶的管內(nèi)兩個橫截面流場Fig．2 Flow field of two cross sections in tube inserted with grid twisted tape

4 雷諾數(shù)及紐率對換熱和壓降的影響

為分析不同紐率格柵紐帶的性能，格柵紐帶的紐率y 分別取:1．05，2．10，3．16，4．20，5．26，建立的模型長度為2H，即扭轉(zhuǎn)360°的螺旋長度． 設(shè)流體流量為:0．073 6，0．147，0．220，0．294，0．368 kg/s，對應(yīng)雷諾數(shù)分別為5 000，10 000，15 000，20 000，25 000．其他參數(shù)和條件不變，模擬結(jié)果如圖3、圖4 所示．圖3(a)是不同紐率格柵紐帶的換熱系數(shù)隨雷諾數(shù)的變化情況;圖3(b)是不同紐率格柵紐帶的單位長度壓降隨雷諾數(shù)的變化情況．

從圖3(a)可以看出，管內(nèi)插入格柵紐帶后，對流換熱系數(shù)隨著雷諾數(shù)的增加而增大，且隨著紐率減小，對流換熱系數(shù)也增大． 當(dāng)雷諾數(shù)達到20 000，紐率y ＞3 時，換熱系數(shù)的增長速率減小，而紐率y 為1．05 和2．1 的管內(nèi)換熱系數(shù)依然增長較快．其原因是紐率較小時，格柵紐帶對管內(nèi)流體擾動更強烈，管內(nèi)流體湍流度更大．圖3(b)表明，隨著雷諾數(shù)增大，管內(nèi)壓降快速增大，且紐率越小壓降增大越快．

圖4 反映了換熱系數(shù)與單位長度壓降之比隨雷諾數(shù)的變化情況，比值越大說明格柵紐帶插入換熱管后綜合性能越好．從圖4 可以看出，隨著雷諾數(shù)增大，比值迅速減小，綜合性能變差．當(dāng)雷諾數(shù)超過20 000 時，各種紐率格柵紐帶的綜合性能差別不大． 綜合來看，要獲得最佳的綜合換熱效果，需要選擇適當(dāng)?shù)募~率和流體雷諾數(shù)．

圖3 雷諾數(shù)對換熱系數(shù)和壓降的影響Fig．3 Influence of Reynold number on convective heat transfer coefficient and pressure drop

圖4 綜合換熱性能隨雷諾數(shù)的變化Fig．4 Relation of comprehensive heat transfer characteristics and Reynolds number

5 結(jié)論

(1)格柵紐帶結(jié)構(gòu)簡單，加工制造方便，具有明顯的強化換熱和減小流阻的效果． 其強化管內(nèi)對流換熱有3 種機理，即插入格柵紐帶使管內(nèi)流通截面的當(dāng)量直徑減小、管內(nèi)流體螺旋流動使流體速度增大及螺旋流動引發(fā)二次流．

(2)隨著雷諾數(shù)增大，管內(nèi)格柵紐帶的綜合性能迅速變差．在雷諾數(shù)達到20 000 且紐率y ＞3時換熱系數(shù)增大速率減小，但壓降仍增長較快．

(3)相同工況下，格柵紐帶比普通紐帶的對流換熱系數(shù)減少了8．6%，同時其單位長度壓降比普通紐帶減少32%，而綜合評價因子J 值大于1，表明格柵紐帶能很好地改善管內(nèi)對流換熱條件，具有良好的綜合換熱性能．

(4)隨著紐率增大，插入格柵紐帶的管內(nèi)對流換熱系數(shù)變小，紐率y ＞3 時對流換熱系數(shù)受紐率變化的影響很小，但壓降卻繼續(xù)增大．因此，要獲得最佳的綜合換熱效果，需要選擇適當(dāng)?shù)募~率和流體雷諾數(shù)．

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