內(nèi)螺紋管結(jié)構(gòu)對有機(jī)朗肯循環(huán)管內(nèi)換熱的影響

唐銘澤 盛 偉

（沈陽工程學(xué)院，沈陽 110136）

有機(jī)朗肯循環(huán)（Organic Rankine Cycle，ORC）系統(tǒng)是一種吸收低品位熱源為主的換熱系統(tǒng)。在國家大力推進(jìn)節(jié)能減排、低碳環(huán)保的趨勢下，有機(jī)朗肯循環(huán)系統(tǒng)的開發(fā)和利用備受關(guān)注。

在幾十年的研究發(fā)展過程中，內(nèi)螺紋管已得到十分廣泛的應(yīng)用。相比于光管而言，內(nèi)螺紋管獨(dú)有的結(jié)構(gòu)特性在增加換熱面積的同時，能夠達(dá)到增強(qiáng)管道內(nèi)工質(zhì)流體的擾動，提高了工質(zhì)流速和抑制傳熱惡化的效果。在ORC系統(tǒng)中采用內(nèi)螺紋管結(jié)構(gòu)，可以提高ORC系統(tǒng)的換熱效率和機(jī)組的運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性。

近年來，許多研究成果已用于石油化工、能源動力、空調(diào)制冷、冶金及船舶等領(lǐng)域[1]。重慶大學(xué)強(qiáng)化傳熱科研組和重慶鍋爐廠聯(lián)合研究了不同結(jié)構(gòu)螺紋管管內(nèi)湍流傳熱及流阻性能，總結(jié)出不同負(fù)荷下矩形槽內(nèi)螺紋管傳熱惡化時臨界合汽率的計算公式[2]。王為術(shù)總結(jié)歸納了近30年諸多學(xué)者在內(nèi)螺紋管內(nèi)傳熱和流動的研究成果[3]。李強(qiáng)的研究提出換熱工質(zhì)的傳熱性能已成為影響換熱設(shè)備性能的一個主要因素[4]。趙朝利用計算流體動力學(xué)方法，分析了CuO-水納米流體和Fe2O3-水納米流體在內(nèi)螺紋銅管中的傳熱特性[5]。

1 物理模型和數(shù)學(xué)方程

1.1 內(nèi)螺紋槽形結(jié)構(gòu)參數(shù)與物理模型

文章數(shù)值模擬的對象為R601在外徑為12.6 mm、壁厚為1.5 mm、長為500 mm的水平內(nèi)螺紋管內(nèi)的流動換熱，研究不同內(nèi)螺紋參數(shù)（如內(nèi)螺紋槽形、槽深等）對有機(jī)工質(zhì)在內(nèi)螺紋管內(nèi)換熱性能的影響。

采用的內(nèi)螺紋管槽形結(jié)構(gòu)如圖1所示。圖1（a）為內(nèi)螺紋剖面圖，其中S為內(nèi)螺紋槽寬，H為內(nèi)螺紋槽深，T為內(nèi)螺紋管壁厚。圖1（b）為內(nèi)螺紋管剖面圖，其中W為內(nèi)螺紋槽間距。

圖1 內(nèi)螺紋管槽結(jié)構(gòu)

文章采用的內(nèi)螺紋管形參數(shù)，如表1所示。利用內(nèi)螺紋增加換熱面積和增強(qiáng)流體的擾動效果等優(yōu)點，達(dá)到強(qiáng)化換熱性能的目的。

表1 內(nèi)螺紋槽參數(shù)表

1.2 數(shù)學(xué)模型

連續(xù)性方程為

式中：xi為x方向的分量；ρ為管內(nèi)有機(jī)工質(zhì)的密度；ui為管內(nèi)有機(jī)工質(zhì)的流速。

運(yùn)動方程為

式中：p為壓強(qiáng)；ui、uj、uk為有機(jī)工質(zhì)在管內(nèi)流動時3個方向的速度分量，其中k=1,2,3；μ為動力黏度。

能量方程為

式中：cp為管內(nèi)有機(jī)工質(zhì)的比熱容；T為管內(nèi)有機(jī)工質(zhì)的溫度；λ為管內(nèi)有機(jī)工質(zhì)的導(dǎo)熱系數(shù)。

1.3 數(shù)值方法

1.3.1 網(wǎng)格劃分

Fluent基于有限體積方法對模型進(jìn)行求解。目前，大多數(shù)學(xué)者都會使用Fluent Meshing作為流體的前處理軟件。為了驗證模擬的準(zhǔn)確性，對網(wǎng)格進(jìn)行無關(guān)性驗證，發(fā)現(xiàn)網(wǎng)格數(shù)量超過290 W時其對實驗結(jié)果的影響偏差可以忽略不計，得出計算結(jié)果理論上與實際完全一致的結(jié)論。

1.3.2 邊界條件

邊界條件的設(shè)定是數(shù)值模擬過程中的關(guān)鍵一步。正確的邊界條件才能得出準(zhǔn)確的實驗結(jié)果。

入口處設(shè)置為速度入口，流速取值0.1 m·s-1，有機(jī)工質(zhì)R601流入內(nèi)螺紋管時溫度為293.15 K。出口處設(shè)置為壓力出口。采用無滑移速度邊界條件，管道壁面設(shè)置為均勻穩(wěn)定溫度，壁面溫度取值473.15 K。

2 內(nèi)螺紋管模擬結(jié)果分析

內(nèi)螺紋管的換熱性能以式（1）～式（3）為數(shù)學(xué)模型進(jìn)行分析，可得通過內(nèi)螺紋管內(nèi)對流換熱特性和流動壓降。對三角形、正方形和半圓形3種不同管槽結(jié)構(gòu)的氣相體積分布進(jìn)行分析，同時對比不同管槽結(jié)構(gòu)內(nèi)螺紋管的導(dǎo)熱量、進(jìn)出口溫差及壓降，分析有機(jī)工質(zhì)在內(nèi)螺紋管中的換熱情況。

分析管內(nèi)換熱特性，設(shè)置光管作為對照組，通過繪制溫度分布云圖，分析有機(jī)工質(zhì)在光管和內(nèi)螺紋管中的傳熱特性，如圖2所示。相比于光管，內(nèi)螺紋的存在增加了有機(jī)工質(zhì)在管內(nèi)的對流換熱面積，同時增強(qiáng)了流體在管內(nèi)的擾動。因此，從溫度云圖中可以看出，在距離入口20 mm處，溫度分布存在明顯區(qū)別。該位置有機(jī)工質(zhì)在內(nèi)螺紋管中吸收更多的熱量，使得有機(jī)工質(zhì)在內(nèi)螺紋管中的溫度分布相比于光管高出約10 K。

圖2 溫度分布云圖

選取距離入口20 mm處作為測量點1，選取距離出口20 mm處作為測量點2。通過計算測量點1和測量點2的平均溫度得到表2?？梢?，內(nèi)螺紋管中半圓形螺紋溫差＞矩形螺紋溫差＞三角形螺紋溫差。同時，對3種內(nèi)螺紋管的導(dǎo)熱量進(jìn)行計算，得到光管導(dǎo)熱量為7.310 135 8 W，三角形內(nèi)螺紋管導(dǎo)熱量為7.764 276 4 W。綜上所述，半圓形螺紋是換熱效果較好的結(jié)構(gòu)形式。

表2 進(jìn)出口溫差表

3 結(jié)語

研究的換熱特性的差異主要由內(nèi)螺紋管的螺紋結(jié)構(gòu)不同導(dǎo)致。不同的內(nèi)螺紋結(jié)構(gòu)隨著內(nèi)螺紋管槽型的改變，直接增加了管內(nèi)壁面對流換熱面積，導(dǎo)致流體流動擾動強(qiáng)度增強(qiáng)，最終達(dá)到提高表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)的目的。一方面，相比于光管，3種內(nèi)螺紋管均有助于強(qiáng)化管內(nèi)對流換熱，半圓形內(nèi)螺紋的進(jìn)出口溫差為61.519 67 K，相比于光管提高2.720 92 K，比三角形內(nèi)螺紋管提高1.607 29 K，比矩形內(nèi)螺紋管提高1.565 63 K，同時半圓形內(nèi)螺紋管壁導(dǎo)熱量高于其他兩種內(nèi)螺紋管壁的導(dǎo)熱量，相比于光管提高約11.767%。另一方面，權(quán)衡對有機(jī)工質(zhì)在內(nèi)螺紋管中的傳熱特性和流動特性進(jìn)行分析，半圓形螺紋相比于三角形螺紋和矩形螺紋是較為優(yōu)化的螺紋結(jié)構(gòu)。