內(nèi)置扭帶換熱管數(shù)值模擬及結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化研究

蘆婭妮 頡苗 張琪

摘 ?????要： 采用數(shù)值模擬方法對內(nèi)插扭帶式換熱管換熱過程進(jìn)行模擬，分析了管內(nèi)流動與傳熱特征，研究了扭帶尺寸參數(shù)對管內(nèi)流動與傳熱的影響。結(jié)果表明，隨扭帶余隙率增大，傳熱系數(shù)逐漸減小，傳熱性能降低，但過小的余隙率會增大摩擦阻力。傳熱系數(shù)隨扭距增加先增大后減小，阻力系數(shù)隨扭距增加逐漸減小。綜合考慮扭帶參數(shù)對傳熱與流動的影響，對換熱管內(nèi)置扭帶的結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化。

關(guān) ?鍵 ?詞：強化傳熱;數(shù)值模擬;換熱管;換熱管

中圖分類號：TQ021.3 ??????文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A ??????文章編號： 1671-0460（2019）02-0437-04

Abstract： The numerical simulation method was used to simulate the heat transfer process of the heat exchanger tube inserted with twisted plate. The flow and heat transfer characteristics in the tube were analyzed. Moreover， the effects of twisted plate size parameters on flow and heat transfer rate in the tube were studied. The results indicated that the heat transfer coefficient and the heat transfer performance decreased with increasing of the clearance ratio of twisted plate. But， too small clearance ratio will increases the friction resistance dramatically. Finally， the structural parameters of twisted plate in heat exchanger tubes were optimized.

Key words： Heat transfer enhancement; Numerical simulation; Heat transfer tube; Twisted plate

隨著能源短缺與環(huán)境污染問題的日益嚴(yán)重，“節(jié)能減排”作為提高能效、改善環(huán)境的重要理念已經(jīng)受到了世界范圍（特別是能源進(jìn)口國）的廣泛關(guān)注[1]。換熱器作為一種熱能轉(zhuǎn)輸設(shè)備，在化工、動力工程及空調(diào)制冷行業(yè)都有廣泛的應(yīng)用。提高換熱器的傳熱效率是節(jié)約能耗的重要措施，也是工程技術(shù)領(lǐng)域與科研人員共同關(guān)注的熱點研究方向[2，3]。盡管換熱器應(yīng)用于不同領(lǐng)域時呈現(xiàn)出多種形式，但擴展換熱面積、強制流體旋轉(zhuǎn)以及增加粗糙度等方法作為普遍的傳熱強化措施被廣泛地應(yīng)用于各種換熱設(shè)備[4]。其中，換熱管內(nèi)插入能夠擾動流場的插入物具有不改變傳熱面形狀、加工簡單和不需要更換管殼式換熱器等優(yōu)點。關(guān)于管內(nèi)插入物的設(shè)計及研究已有大量報道。周路遙等[5]設(shè)計了一種管內(nèi)雙斜桿插入物，并對其綜合換熱性能進(jìn)行了數(shù)值模擬，發(fā)現(xiàn)管內(nèi)插入雙斜桿能夠使流體形成雙層旋流結(jié)構(gòu)，進(jìn)而增強換熱效率。張曉嶼等[6]將換熱管內(nèi)插入多個螺旋片來改善傳熱性能，通過數(shù)值模擬方法研究了以水為流動介質(zhì)時傳熱性能的變化，發(fā)現(xiàn)此種內(nèi)插多個螺旋片能夠使努塞爾數(shù)增大4.5～11倍。彭得其等[7]設(shè)計了一種管內(nèi)震動往復(fù)螺旋機構(gòu)，實驗研究表明該裝置不但能夠增大換熱器傳熱系數(shù)，而且還具有自動除垢防垢功能。

盡管目前設(shè)計的管內(nèi)插入物形式多樣，但應(yīng)用于工程實際中大多具有加工制造復(fù)雜、改善換熱的同時增大流動阻力等缺點[8]。扭帶是一種結(jié)構(gòu)簡單而又能使流體旋轉(zhuǎn)的旋流發(fā)生器，通常由薄片金屬扭轉(zhuǎn)而成。扭帶作為一種改善換熱管的插入物已經(jīng)得到實際應(yīng)用，同時一些學(xué)者對扭帶改善換熱的機理進(jìn)行了研究。劉舜堯等[9]通過設(shè)計的實驗裝置研究了管殼式扭帶強化傳熱規(guī)律，得到了流速對傳熱系數(shù)的影響趨勢。李行[4]通過數(shù)值模擬方法研究了組合式扭帶的換熱效率。雖然扭帶具有結(jié)構(gòu)簡單、便于安裝的特點，但與其它管內(nèi)插入物一樣，在強化傳熱的同時不可避免的產(chǎn)生附加的摩阻損失，在平衡傳熱與流動之間存在結(jié)構(gòu)優(yōu)化問題。本文將通過計算流體力學(xué)方法模擬內(nèi)插扭帶的換熱過程，并研究余隙率、扭距等參數(shù)對換熱管內(nèi)溫度場和流場的影響，進(jìn)而對扭帶結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。

1 ?物理及數(shù)學(xué)模型

圖1為內(nèi)插扭帶換熱管的幾何模型局部示意圖，扭帶插入換熱管內(nèi)部，其外徑通常小于換熱管內(nèi)徑。由于扭帶的導(dǎo)流作用，當(dāng)流體流進(jìn)換熱管后，一部分沿扭帶做螺旋流動，另一部分在管壁與扭帶之間的環(huán)形區(qū)域流動。其中做旋轉(zhuǎn)流動的流體由于離心力的作用不斷流向壁面，對管流造成擾動，進(jìn)而增強管壁與流體間的強制對流換熱。在本研究建立的幾何模型中，管徑D0=60 mm，長度L=1 500 mm，換熱介質(zhì)為空氣，流速v = 4 m/s。為了表征扭帶直徑與管徑的相對大小，定義余隙率η=（1-d/D0）×100%，其中d為扭帶邊緣直徑。本研究分別對8.9%，17.8%和26.7%三種余隙率進(jìn)行建模。此外，用扭距（H）表征扭帶的螺旋程度，扭距即扭帶每旋轉(zhuǎn)360?的軸線長度。為研究扭帶螺旋程度對傳熱即流動的影響，分別對H=100，200和300 mm三種扭帶建模。

采用Gambit軟件對模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，其中扭帶采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，流體空間采用非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，對扭帶及換熱管壁面進(jìn)行網(wǎng)格加密。采用FLUENT 14.0三維雙精度求解器對模型進(jìn)行計算，所得結(jié)果均進(jìn)行網(wǎng)格無關(guān)性驗證后方使用。換熱管入口設(shè)置為速度進(jìn)口邊界條件，出口設(shè)置為壓力出口。壁面設(shè)置為無滑移邊界調(diào)節(jié)，其中管壁溫度采用第一類換熱邊界條件，T0 = 840 K，為管內(nèi)空氣加熱。為簡化計算，做出如下假設(shè)：1） 流體物性均為定值，如表1所示;2） 流動狀態(tài)為穩(wěn)態(tài)流動;3） 流體為各項同性的連續(xù)介質(zhì)，且為牛頓流體; 4） 不考慮重力對管內(nèi)流動的影響。根據(jù)流體力學(xué)連續(xù)介質(zhì)假設(shè)，圓管內(nèi)單相穩(wěn)態(tài)流動的控制方程為[10，11]：

2 ?計算結(jié)果及分析

2.1 ?換熱管沿線截面溫度場與流場變化

圖2為η=26.7%、H=300 mm時換熱管在入口、1/3、2/3和出口四個截面處的速度場分布。在入口截面上流速還未受扭帶影響，因此流場分布均勻，等于設(shè)定的入口流速。在1/3管長處，截面上的流速出現(xiàn)波動，在扭帶兩側(cè)腹部位置出現(xiàn)流速增加現(xiàn)象，而其周圍與圓管壁面處流速減小。

流體到達(dá)2/3管長時，其流速分布變化不大，而在1 500 mm處的出口截面上流場分布趨于穩(wěn)定，扭帶兩側(cè)流速出現(xiàn)兩塊速度稍高于平均流速的區(qū)域，而在兩塊區(qū)域周圍有二次流和旋渦產(chǎn)生。

圖3為η=26.7%、H =300 mm時管熱管在入口、1/3、2/3和出口四個截面處的溫度場分布。由于扭帶為碳鋼制成，因此為熱的良導(dǎo)體，對于穩(wěn)態(tài)傳熱過程其溫度與流體溫度基本相同，圖中用虛線框大致表示了扭帶界面所在位置。對比四個截面上的溫度場分布可以看到從入口到出口溫度沿截面分布是不斷變化的。在入口處，流體溫度等于初始溫度300 K;在1/3截面處由于與換熱管壁面的熱交換導(dǎo)致溫度場發(fā)生變化，沿管壁向內(nèi)溫度發(fā)生梯度遞減，盡管大部分流體溫度得到升高，但仍有部分區(qū)域流體近似等于初始溫度;到2/3截面時，流體溫度進(jìn)一步升高，壁面處溫度梯度減小;在出口截面處，溫度相對于管軸呈中心對稱分布，扭帶兩側(cè)腹部仍有局部低溫。

（a） 入口截面; ?（b） 500 mm處截面;

（c） 1 000 mm處截面; ?（d） 出口截面

2.2 ?余隙率對換熱管傳熱與流動的影響

圖4為扭距H=200 mm，不同余隙率時換熱管出口截面的溫度場分布?？梢钥吹接嘞堵蕦Q熱管內(nèi)的溫度場分布具有重要影響。余隙率越大，出口處截面的溫度分布越不均勻，低溫區(qū)面積越大。可以直觀地判斷隨著余隙率增大，出口截面的平均溫度越低，這表明增大余隙率不利于傳熱強化。

（a） η=8.9%; （b） η=17.8%; （c） η=26.7%

用積分方法求出換熱管壁面的總傳熱量，然后計算出平均傳熱系數(shù)，如圖5所示。為形成對比，同時建立了管內(nèi)不插入扭帶的換熱管模型，其平均傳熱系數(shù)同樣表示在圖5中（即空管）。隨著余隙率增大，平均傳熱系數(shù)逐漸減小，但傳熱系數(shù)從8.9%的余隙率到17.8%的余隙率降低的幅度較小，而從η=17.8%到η=26.7%下降的較多。為綜合比較扭帶對傳熱與流動的影響，圖5中還給出了管內(nèi)摩阻系數(shù)隨余隙率的變化關(guān)系。

從圖4中可以看到，扭帶在強化傳熱的同時，還提高了流體與管壁的摩擦阻力系數(shù)，且隨余隙率增大，摩阻系數(shù)有所降低。從圖5所示的曲線可以看出，雖然從強化傳熱的角度考慮，余隙率越小越好，但過小的余隙率一方面增大了摩阻系數(shù)，另一方面容易淤積換熱介質(zhì)中攜帶的雜質(zhì)。綜合傳熱與流動兩方面因素考慮，認(rèn)為η=17.8%為最佳余隙率，此時具有較大的傳熱系數(shù)而摩阻系數(shù)又處在較低水平。

2.3 ?扭距對換熱管傳熱與流動的影響

圖6為余隙率η=17.8%時，換熱管出口截面在不同扭距時的溫度場分布。從圖中可以看出：當(dāng)H =100 mm時，流體內(nèi)部未得到有效的換熱，仍然存在低溫流體區(qū);當(dāng)H =200 mm時，流體得到較好的混合，溫度場分布較為均勻;當(dāng)H =300 mm時，低溫流體面積又有所增大。

從圖中可以看到，當(dāng)扭距等于100 mm時的傳熱系數(shù)小于空管的傳熱系數(shù)，即此時換熱管內(nèi)插入扭帶不但沒能起到強化傳熱的作用，反而阻礙了傳熱。結(jié)合圖6（a），當(dāng)扭距過小時，管中心的流體反而容易被封閉在漩渦內(nèi)，因此得不到有效的傳熱。當(dāng)扭距等于200 mm時傳熱系數(shù)達(dá)到最大值，繼續(xù)增加扭距傳熱系數(shù)反而降低。摩阻系數(shù)隨扭距增大而減小。綜上，H =200 mm為最佳扭距。

4 ?結(jié) 論

內(nèi)插螺旋扭帶能夠強化管內(nèi)對流換熱，但同時也會增加流動阻力。研究了扭帶的兩個參數(shù)（余隙率和扭距）對換熱管傳熱與流動的影響。隨余隙率增大，傳熱系數(shù)與摩擦阻力系數(shù)均減小。隨扭距增大，摩擦阻力系數(shù)減小，而傳熱系數(shù)先增大后減小。綜合考慮傳熱與流動因素，余隙率等于17.6%，扭距等于200 mm為扭帶的最優(yōu)化結(jié)構(gòu)參數(shù)。

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