管內(nèi)氣體側(cè)扭帶阻力特性及強(qiáng)化傳熱特性

陶振宇，劉京雷，徐 鵬，徐 宏，萬(wàn) 順

（華東理工大學(xué) 機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院 化學(xué)工程聯(lián)合國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200237）

換熱器是化工、煉油、動(dòng)力、食品、輕工、原子能及其他許多工業(yè)部門的通用設(shè)備，在生產(chǎn)中占有重要地位。自20世紀(jì)70年代發(fā)生能源危機(jī)以來(lái)，人們一直探求節(jié)約能源的方法和途徑，強(qiáng)化換熱技術(shù)也隨之得到很大的發(fā)展。用管內(nèi)插入物強(qiáng)化管內(nèi)單相流體傳熱的方法尤其對(duì)氣體有效。常用的管內(nèi)插入物有螺旋扭帶、錯(cuò)開扭帶、螺旋片和彈簧等形式。

管內(nèi)插入扭帶是一種最簡(jiǎn)單的強(qiáng)化傳熱方法，扭帶的加工制造過(guò)程簡(jiǎn)單，非常適用于舊換熱器的改造，且相較于其他強(qiáng)化換熱技術(shù)，能夠減少管內(nèi)污垢沉積甚至清除污垢，進(jìn)一步起到強(qiáng)化傳熱的效果。國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)扭帶傳熱進(jìn)行了大量的理論及實(shí)驗(yàn)研究，杜援軍等［1-2］報(bào)道了扭帶在各場(chǎng)合的強(qiáng)化傳熱性能，還有很多學(xué)者做了這方面的創(chuàng)新研究［3-21］。Eiamsa-ard等［4］對(duì)扭率（Y）為2.5～4的單扭帶及雙扭帶進(jìn)行了研究，擬合出了不同型號(hào)紐帶在雷諾數(shù)（Re）為3 700～21 000范圍內(nèi)與努賽爾數(shù)（Nu）和達(dá)西摩擦因子（λ）的關(guān)聯(lián)式，并給出了Y=6的扭帶在Re=2 000～12 000范圍內(nèi)Nu、λ、Re、間隙比的關(guān)系式［5］。Ferroni等［6］研究了在10 000＜Re＜90 000的范圍內(nèi)，1.5＜Y＜6的分段式扭帶的性能。Chang等［7］發(fā)現(xiàn)，在10 000＜Re＜40 000范圍內(nèi)，Y =1～2.5的片組合式扭帶的傳熱系數(shù)和摩擦因子分別是光滑扭帶的1.28～2.4和2～4.7倍。俞秀民等［8-9］研究了自轉(zhuǎn)扭帶的傳熱性能及自動(dòng)清洗除垢功能。詹三江等［10-11］研究了低Re下新型扭帶的水側(cè)工作性能。

鮮有國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)高Re下的氣體側(cè)扭帶性能進(jìn)行研究。唐志偉等［12］模擬得到了空氣中在Re＜30 000范圍內(nèi)的Nu與λ的關(guān)聯(lián)式。崔永章等［13］研究了各工況參數(shù)和扭帶幾何參數(shù)對(duì)高濕氣體對(duì)流凝結(jié)換熱的影響。在一些文獻(xiàn)中，由于側(cè)重扭帶的強(qiáng)化換熱效果，均研究的是Y較?。╕=1.5～6）的扭帶［14］，或一些新型扭帶［7，15-21］。但在實(shí)際工程中，某些工況對(duì)管內(nèi)壓降要求較高，Y較小的扭帶并不適用。

本工作利用Pro/e建模得到的扭帶模型，采用Fluent軟件對(duì)換熱管內(nèi)的流場(chǎng)進(jìn)行模擬，分析了Y分別為12.0，8.5，5.0的扭帶在管內(nèi)的阻力特性和強(qiáng)化傳熱特性，建立了λ，Nu，Re，Y之間的關(guān)聯(lián)式。

1 扭帶特性實(shí)驗(yàn)及模擬方法

1.1 實(shí)驗(yàn)方法

研究扭帶阻力性能的實(shí)驗(yàn)裝置見(jiàn)圖1。實(shí)驗(yàn)氣體為空氣，密度為1.225 kg/m3，黏度為1.789 4×10-5Pa·s。實(shí)驗(yàn)用管材和扭帶的材質(zhì)均為304不銹鋼。利用離心風(fēng)機(jī)對(duì)管內(nèi)送風(fēng)。通過(guò)閥門控制空氣流量，風(fēng)速儀讀取流量讀數(shù)，壓差計(jì)讀取實(shí)驗(yàn)兩測(cè)點(diǎn)間壓力差。

圖1 研究扭帶阻力性能的實(shí)驗(yàn)裝置Fig.1 Experimental installation for researching the drag performance of twisted tape.

采用Fluent軟件對(duì)換熱管內(nèi)的流場(chǎng)進(jìn)行模擬，分析管內(nèi)扭帶強(qiáng)化傳熱性能及阻力特性。換熱管內(nèi)徑40 mm、長(zhǎng)度7 m，換熱管及扭帶插入物材質(zhì)均為304不銹鋼。管程流體產(chǎn)品進(jìn)口溫度743 K，在無(wú)插入物工況下，出口溫度520～530 K，出口壓力210 kPa，進(jìn)口流量80.3 t/h，產(chǎn)品氣密度1 kg/m3，產(chǎn)品氣黏度2×10-5Pa·s。

3種扭帶的規(guī)格參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 3種扭帶的規(guī)格參數(shù)Table 1 Specification parameters of three twisted tapes

1.2 實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?/h3>

利用Pro/e軟件建模得到的扭帶模型見(jiàn)圖2。通過(guò)Ansys ICEM軟件進(jìn)行網(wǎng)格劃分，采用六面體網(wǎng)格，邊界層采用加密網(wǎng)格；再將網(wǎng)格文件導(dǎo)入Fluent軟件中，然后按過(guò)程參數(shù)對(duì)其進(jìn)行邊界模型及模擬參數(shù)設(shè)置，采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε雙方程（k：湍流動(dòng)能；ε：湍流動(dòng)能耗散率）及能量方程模型處理湍流流場(chǎng)及溫度場(chǎng)；采用三維穩(wěn)態(tài)和SIMPLE算法處理速率與壓力的耦合關(guān)系，邊界條件見(jiàn)表2。

圖2 扭帶模型圖Fig.2 Models of the twisted tapes.

表2 邊界條件Table 2 Boundary conditions

2 結(jié)果與討論

2.1 扭帶模型的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

先對(duì)扭帶模型進(jìn)行網(wǎng)格無(wú)關(guān)性檢驗(yàn)，考慮了模型（Y=12.0）的6種網(wǎng)格數(shù)，選取氣體流速為41 m/s時(shí)的管出口平均溫度檢驗(yàn)網(wǎng)格對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響，出口平均溫度隨網(wǎng)格數(shù)的變化見(jiàn)圖3。由圖3可知，隨網(wǎng)格數(shù)的增大，出口平均溫度變化幅度不大（3 K左右），表明數(shù)值模擬具有可重復(fù)性和穩(wěn)定性。網(wǎng)格數(shù)為5.68×106時(shí)的出口平均溫度比網(wǎng)格數(shù)為8.13×106時(shí)的出口平均溫度低0.4 K。當(dāng)網(wǎng)格數(shù)繼續(xù)增加到1.29×107后，出口平均溫度幾乎無(wú)變化。因此，在保證計(jì)算精度的前提下，選擇網(wǎng)格數(shù)為8.13×106的扭帶模型較適宜。

圖3 出口平均溫度隨網(wǎng)格數(shù)的變化Fig.3 Variation of outlet temperature with grid number.Condition：gas flow rate(V)41 m/s.

為進(jìn)一步校驗(yàn)實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷挠行裕瑢?duì)部分模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較。管內(nèi)壓降（Δp）按式（1）轉(zhuǎn)化為λ。

式中，d為換熱管內(nèi)徑，m；ρ為氣體密度，kg/m3；V為氣體流速，m/s；l為換熱管長(zhǎng)度，m。

光管校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)中的實(shí)驗(yàn)值、模擬值和穆迪圖值見(jiàn)圖4。從圖4可看出，模擬值與實(shí)驗(yàn)值的誤差均在8%范圍內(nèi)，說(shuō)明模型結(jié)果是有效的。

圖4 光管校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)中的實(shí)驗(yàn)值、模擬值與穆迪圖值Fig.4 Experimental results， Moody chart and simulation results in the calibration of plain tube.

2.2 扭帶阻力特性的模擬結(jié)果

為研究扭帶性能隨Re變化的特性，模擬了不同Re下扭帶的傳熱及阻力特征。管內(nèi)壓降和λ隨Re的變化見(jiàn)圖5～6。由圖5可知，插入扭帶管的管內(nèi)壓降大于光管的管內(nèi)壓降，隨Re的增大，管內(nèi)壓降增大，且Y越小管內(nèi)壓降越大。由圖6可看出，插入扭帶后，隨Y的減小，λ不斷增大；隨Re的增大，λ減小。當(dāng)Re=80 000～140 000范圍內(nèi)、扭帶Y分別為12.0，8.5，5.0時(shí)，插入扭帶管較光管的管內(nèi)壓降分別增加2.2～2.3，2.5～2.6，3.1～3.2倍。

圖5 管內(nèi)壓降隨Re的變化Fig.5 Variations of pressure drop(Δp)in the tubes with Re.

圖6 λ隨Re的變化Fig.6 Variations of the λ with Re.

通過(guò)最小二乘法進(jìn)行曲線擬合得λ=3.328Re-0.286·Y-0.394，曲線擬合度檢驗(yàn)得確定系數(shù)R2=0.990，曲線擬合度高，說(shuō)明模擬值與實(shí)驗(yàn)值基本吻合。

2.3 扭帶傳熱特性的模擬結(jié)果

管內(nèi)扭帶主要影響管內(nèi)流場(chǎng)及溫度場(chǎng)，簡(jiǎn)化壁面邊界條件為恒壁溫500 K（在此條件下，模擬得到光管7 m出口處的平均溫度為525 K）。為分析扭帶結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)管內(nèi)流場(chǎng)的影響，首先對(duì)1 m管的傳熱性能進(jìn)行研究。氣體流速為41 m/s時(shí)，光管和插入扭帶管管內(nèi)氣體出口截面速度場(chǎng)和溫度場(chǎng)見(jiàn)圖7～8，管內(nèi)氣體軸向平均溫度分布見(jiàn)圖9。

根據(jù)場(chǎng)協(xié)同理論［22］：流體溫度場(chǎng)與速度場(chǎng)協(xié)同程度越好，換熱強(qiáng)度就越高，且穿越等溫線的二次流尤其能起到強(qiáng)化傳熱的效果。由圖7可知，光管內(nèi)流體垂直于軸向的速率幾乎為零，即幾乎不存在穿越等溫線的流動(dòng)。由圖8可知，在扭帶擾動(dòng)下，管內(nèi)流體產(chǎn)生了明顯的二次流并以旋轉(zhuǎn)二次流為主。對(duì)比Y=12.0和Y=5.0兩種扭帶可明顯看出，Y越小，管內(nèi)流體的二次流流速越大，且二次流的速度方向與等溫線垂直程度更明顯，溫度場(chǎng)與速度場(chǎng)協(xié)同程度也更好。從圖9可看出，隨Y的減小，管內(nèi)氣體軸向平均溫度降低，即換熱效果得到強(qiáng)化。

根據(jù)式（2）計(jì)算Nu：

式中，h為對(duì)流傳熱系數(shù)，W/（m2·K）；L為管外徑，m；k為氣體熱導(dǎo)率，W/（m2·K）。

管內(nèi)氣體軸向Nu分布見(jiàn)圖10。從圖10可知，管長(zhǎng)度對(duì)Nu的影響很小，而插入扭帶可提高管的Nu。當(dāng)Y分別為12.0，8.5，5.0 時(shí)，插入扭帶管的Nu較光管分別提高了49%～51%，53%～55%，59%～60%。不同Y下Re～Nu的關(guān)系曲線見(jiàn)圖11。

圖7 光管內(nèi)氣體出口截面溫度場(chǎng)和速度場(chǎng)Fig.7 Temperature field and velocity field at the outlet section of the plain tube.

圖8 插入扭帶管內(nèi)氣體出口截面溫度場(chǎng)和速度場(chǎng)Fig.8 Temperature field and velocity field at the outlet sections of the tubes with twisted tapes.

圖9 管內(nèi)氣體軸向溫度分布圖Fig.9 Axial distributions of gas temperature in the tubes.

圖10 管內(nèi)氣體軸向Nu分布圖Fig.10 Axial distributions of the Nusselt numbers(Nu)of gases in the tubes.

圖11 不同Y下的Nu～Re的關(guān)系曲線Fig.11 Relationships of Nu with the Re.

根據(jù)圖11，通過(guò)最小二乘法進(jìn)行曲線擬合得：Nu=0.115 4Re0.7077Pr0.333Y-0.07875（Pr為普朗特?cái)?shù)），曲線擬合度檢驗(yàn)得確定系數(shù)R2=0.998 6，說(shuō)明曲線擬合度高。

2.4 工程扭帶選型

根據(jù)關(guān)聯(lián)式λ=3.328Re-0.286Y-0.394和Nu=0.115 4·Re0.7077Pr0.333Y-0.07875可進(jìn)行扭帶選型。如取Pr=0.7，通過(guò)無(wú)因次關(guān)聯(lián)式可得到扭帶的λ-Nu-Re-Y選型圖（見(jiàn)圖12）。從圖12可看出，假設(shè)某工程中換熱管內(nèi)流體工況穩(wěn)定，取Pr=0.7，Re=105，要求滿足λ≤0.06，查圖12可得Nu最大為310，扭帶Y最小為7；若要求Nu≥300，則扭帶的Y可取7≤Y≤20。

圖12 扭帶的λ-Nu-Re-Y選型圖Fig.12 Selection graph of λ-Nu-Re-Y of the twisted tapes.

3 結(jié)論

1）選擇網(wǎng)格數(shù)為8.13×106的扭帶模型較適宜，利用該模型所得模擬值與實(shí)驗(yàn)值的誤差較小。

2）插入扭帶管的管內(nèi)壓降大于光管的管內(nèi)壓降，隨Re的增大，管內(nèi)壓降增大，且Y越小管內(nèi)壓降越大。插入扭帶后，隨Y的減小，λ不斷增大；隨Re的增大，λ減小。擬合曲線λ=3.328Re-0.286Y-0.394的擬合度高，模擬值與實(shí)驗(yàn)值基本吻合。

3）Y越小，管內(nèi)流體的二次流流速越大，溫度場(chǎng)與速度場(chǎng)的協(xié)同程度更好，管內(nèi)氣體軸向平均溫度降低，換熱效果得到強(qiáng)化。Nu與Re的關(guān)系曲線為Nu=0.115 4Re0.7077Pr0.333Y-0.07875，曲線擬合度高。根據(jù)λ，Nu，Re，Y的關(guān)聯(lián)式，可進(jìn)行扭帶選型。

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