新型內(nèi)螺紋波節(jié)管強(qiáng)化傳熱數(shù)值模擬

雷 雪，劉 闖，曹 凱

(1.普瑞特冶金技術(shù)(中國)有限公司，上海 201108；2.中國石油吉林石化公司 化肥廠，吉林 吉林 132021；3.中國石油吉林石化公司 建修公司，吉林 吉林 132021)

能源危機(jī)以來，強(qiáng)化傳熱技術(shù)得到了迅速的發(fā)展和廣泛的工業(yè)應(yīng)用，在能源的開發(fā)和利用方面起著十分重要的作用。強(qiáng)化傳熱技術(shù)由于其對(duì)于降低能耗及提高能源利用效率的重要意義，已經(jīng)得到了很好的發(fā)展。經(jīng)過多年的研究和工程應(yīng)用，出現(xiàn)了包括管內(nèi)、管外等多種強(qiáng)化傳熱技術(shù)，而且其中有很多已經(jīng)應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域[1-2]。

波節(jié)管換熱器是一種典型的強(qiáng)化傳熱設(shè)備，其應(yīng)用范圍廣泛，傳熱性能優(yōu)良，傳熱元件為波節(jié)管。主要應(yīng)用在無相變傳熱領(lǐng)域，目前其設(shè)計(jì)、生產(chǎn)技術(shù)已基本成熟。張偉瑋[3]，馬小晶[4]，徐建民[5]，Amano[6]以及Balcilar[7]等均是通過數(shù)值模擬的方法對(duì)波節(jié)管內(nèi)的流動(dòng)及傳熱特性進(jìn)行研究，得出了很多具有指導(dǎo)意義的結(jié)論。

波節(jié)管流道由波峰和直邊段組成，二者周期性分布，換熱管對(duì)于傳熱的強(qiáng)化主要由波峰結(jié)構(gòu)引起。直邊段雖然能夠提供突然縮小的節(jié)流作用，但其類似普通光滑換熱管的這種結(jié)構(gòu)對(duì)整個(gè)波節(jié)管強(qiáng)化傳熱做出的貢獻(xiàn)還是很有限。

結(jié)合內(nèi)螺紋波節(jié)管強(qiáng)化傳熱作用較好，加工工藝簡單，制造成本低等優(yōu)點(diǎn)，擬通過在波節(jié)管直邊段加工內(nèi)螺紋來實(shí)現(xiàn)強(qiáng)化傳熱的目的。目前對(duì)于內(nèi)螺紋換熱管的研究主要集中在沸騰傳熱強(qiáng)化的方向，對(duì)單相對(duì)流的強(qiáng)化傳熱數(shù)值模擬比較少，典型的有孫東亮[8]，韓占忠[9]等。

作者將波節(jié)管和內(nèi)螺紋管2種形式的換熱管結(jié)合，提出了一種新型內(nèi)螺紋波節(jié)強(qiáng)化換熱管。

1 新型內(nèi)螺紋波節(jié)管

內(nèi)螺紋波節(jié)管以普通波節(jié)管為基管，在其直邊段加工標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)螺紋，這樣的設(shè)計(jì)充分利用了2個(gè)波峰之間直邊段的結(jié)構(gòu)，增加直邊段流體的擾動(dòng)，進(jìn)一步提高換熱管的傳熱性能，而且能夠增大管內(nèi)換熱面積。此外，由于螺紋尺寸較小，這種新型換熱管對(duì)管內(nèi)流動(dòng)阻力的增加較小，內(nèi)螺紋波節(jié)管結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1 內(nèi)螺紋波節(jié)管結(jié)構(gòu)

內(nèi)螺紋波節(jié)管是一種新型強(qiáng)化傳熱管，這種換熱管對(duì)傳熱的強(qiáng)化比例，強(qiáng)化傳熱機(jī)理等都不得而知。作者采用Fluent軟件模擬內(nèi)螺紋波節(jié)管的傳熱和流動(dòng)特性，以了解內(nèi)螺紋波節(jié)管管內(nèi)流體的速度分布和溫度分布規(guī)律(速度場(chǎng)和溫度場(chǎng))，分析其強(qiáng)化對(duì)流傳熱的機(jī)理。在相當(dāng)尺寸、邊界條件、流體介質(zhì)等條件下，比較內(nèi)螺紋波節(jié)管和普通波節(jié)管的傳熱和流動(dòng)效果，直觀地說明內(nèi)螺紋波節(jié)管的強(qiáng)化傳熱效果。

2 實(shí)驗(yàn)部分

2.1 幾何模型

內(nèi)螺紋波節(jié)管模型幾何尺寸見圖2。為了使流動(dòng)處于充分發(fā)展區(qū)，建立了10個(gè)波節(jié)的幾何模型。同時(shí)，參考常用的普通波節(jié)管尺寸，選擇長度較長的17 mm直邊段進(jìn)行建模。這樣處理的目的是為了使新型換熱管的螺紋段更長，凸顯螺紋段的影響。為了便于比較建立了普通波節(jié)管的模型，其截面尺寸與內(nèi)螺紋波節(jié)管相同。

圖2 內(nèi)螺紋波節(jié)管幾何結(jié)構(gòu)

內(nèi)螺紋波節(jié)管幾何模型直邊段長度l1=17 mm，波峰段長度l2=13 mm，進(jìn)口直邊段長度L=40 mm，波峰直徑D2=25 mm，直邊段直徑D1=19 mm，壁厚δ=1.2 mm，螺紋牙腳α=60°，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)螺紋的尺寸，建立3種結(jié)構(gòu)的內(nèi)螺紋，螺紋齒高分別為1、0.75、0.5 mm。螺紋尺寸參照標(biāo)準(zhǔn)選取[10]。普通波節(jié)管在直邊段沒有螺紋，其余尺寸均相同。

考慮到流體模擬計(jì)算域?yàn)榱黧w區(qū)域，因此內(nèi)螺紋波節(jié)管模型為在波節(jié)管直邊段加外螺紋。由于螺紋尺寸較小，在螺紋處用尺寸更小的非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格。對(duì)不同螺紋尺寸的內(nèi)螺紋波節(jié)管和普通波節(jié)管進(jìn)行各自劃分不同數(shù)量的網(wǎng)格并進(jìn)行網(wǎng)格無關(guān)解分析，最終確定1#內(nèi)螺紋波節(jié)管網(wǎng)格數(shù)為7.95×105，2#內(nèi)螺紋波節(jié)管網(wǎng)格數(shù)為1.43×106，3#內(nèi)螺紋波節(jié)管網(wǎng)格數(shù)為2.53×105，普通波節(jié)管網(wǎng)格數(shù)為8.01×104。

2.2 求解設(shè)置及邊界條件

定義入口為速度入口(Velocity-inlet)邊界，給定入口速度以及20 ℃入口流體溫度；出口為自由出口(Outflow)邊界；壁面定義為恒定壁面溫度邊界，為了使傳熱效果更加明顯，取較高的壁面溫度80 ℃。考慮到在模擬的溫度范圍內(nèi)水的物性受溫度影響也比較小，因此，模擬時(shí)給定水的物性為定值，即取20℃水的物性參數(shù)作為整個(gè)模擬的物性參數(shù)。

計(jì)算模型里勾選能量方程選項(xiàng)(Energy)。黏度模型選擇標(biāo)準(zhǔn)k-epsilon模型，標(biāo)準(zhǔn)壁面方程。選擇壓力速度求解器為SIMPLE，動(dòng)量、能量方程求解方法選擇二階迎風(fēng)格式(Second Order Upwind)。計(jì)算過程中監(jiān)測(cè)出口的溫度值，以此來判斷計(jì)算是否收斂。定義收斂條件為默認(rèn)條件，即能量方程殘差<1×10-6，其余方程<1×10-3。

為了便于比較，對(duì)進(jìn)口流量為1.5、2.0、2.5、3.0、3.5、4.0、4.5、5.0 m3/h時(shí)普通波節(jié)管和內(nèi)螺紋波節(jié)管管內(nèi)傳熱情況分別進(jìn)行模擬。

3 結(jié)果與討論

進(jìn)口流量為5.0 m3/h時(shí)內(nèi)螺紋波節(jié)管內(nèi)中心線溫度分布見圖3，橫坐標(biāo)為中心線上的溫度監(jiān)測(cè)點(diǎn)與換熱管進(jìn)口中心點(diǎn)的距離，縱坐標(biāo)為換熱管中心線溫度。

L/m圖3 內(nèi)螺紋波節(jié)管中心線溫度

由圖3可見，流體流入管內(nèi)，由于管壁的熱傳導(dǎo)，靠近管壁的流體首先得到加熱，此時(shí)換熱管中心的溫度還基本維持在進(jìn)口溫度。隨著加熱的進(jìn)行，管內(nèi)的對(duì)流換熱使管中心的流體被加熱，溫度升高。反應(yīng)在圖3上即是，熱量換熱管中心線上流體溫度先維持穩(wěn)定，然后逐漸升高，最后被加熱到300 K以上。

2種換熱管在相同進(jìn)口流量(5.0 m3/h)下，中心截面上流體流線分布見圖4。

v/(m·s-1)a 普通波節(jié)管

v/(m·s-1)b 內(nèi)螺紋波節(jié)管圖4 2種類型換熱管管內(nèi)流體流線圖

從圖4可以看出，2種換熱管內(nèi)流體在波峰位置處的擾動(dòng)，不同之處在于普通波節(jié)管在直邊段區(qū)域管內(nèi)流體流動(dòng)基本與軸線平行，而內(nèi)螺紋波節(jié)管由于內(nèi)部螺紋的作用，在直邊段也存在一定程度的擾動(dòng)。觀察流線分布圖，可以清楚地了解內(nèi)螺紋波節(jié)管管內(nèi)流動(dòng)情況，換熱管內(nèi)部這種摻雜了擾動(dòng)、漩渦的復(fù)雜流動(dòng)，不僅破壞流動(dòng)邊界層，而且使得管內(nèi)流動(dòng)的湍流程度更大，使管內(nèi)傳熱得到強(qiáng)化。

截取2種換熱管充分湍流區(qū)域一個(gè)波節(jié)的速度云圖，結(jié)果見圖5。由圖5可以更直觀的看出兩者在直邊段區(qū)域流動(dòng)的區(qū)別，內(nèi)螺紋使這一部分的流體擾動(dòng)更加劇烈，而且在遠(yuǎn)離管壁的一定區(qū)域內(nèi)，流體的擾動(dòng)依然存在。這種擾動(dòng)破壞邊界層，使得直邊段的傳熱更加劇烈，也就在一定程度上增強(qiáng)了整根換熱管的傳熱。而且這種復(fù)雜的流動(dòng)使得流體結(jié)垢在原換熱管基礎(chǔ)上變得更加困難，降低污垢熱阻，使傳熱過程得到更進(jìn)一步的強(qiáng)化。

v/(m·s-1)a 普通波節(jié)管

v/(m·s-1)b 內(nèi)螺紋波節(jié)管圖5 2種類型換熱管局部速度分布圖

考慮到模型波節(jié)管的壁厚比較薄，選取不會(huì)破壞管壁結(jié)構(gòu)的3種不同幾何尺寸的標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)螺紋進(jìn)行研究，并對(duì)比了其傳熱性能的好壞，3種螺紋齒高分別為1、0.75、0.5 mm，編號(hào)分別為1#、2#、3#。從Fluent計(jì)算結(jié)果中取出壁面熱流量以及出口溫度的數(shù)據(jù)，然后求出管內(nèi)對(duì)流換熱系數(shù)，進(jìn)而得到Nu隨流量的變化。不同換熱管的Nu隨體積流量的變化規(guī)律見圖6，不同換熱管Nu隨Re的變化規(guī)律見圖7。

qV/(m3·h-1)圖6 Nu隨體積流量變化

Re圖7 Nu隨Re變化

從圖6、圖7中可以看出，隨著流量和Re的增加，管內(nèi)Nu呈增長狀態(tài)。在相同的流量下，內(nèi)螺紋波節(jié)管的Nu大于普通波節(jié)管，而且隨著流速的增大，這種強(qiáng)化作用更加明顯。3種不同螺紋的內(nèi)螺紋波節(jié)管之間的Nu相差不多，但從具體數(shù)據(jù)來看(見表1)，在相同的管內(nèi)流量條件下，1#內(nèi)螺紋波節(jié)管強(qiáng)化傳熱效果最好，3#最差。這是由于1#管的螺紋距更大，齒高更大，對(duì)管內(nèi)流體的擾流作用更強(qiáng)，使得換熱管傳熱能力增強(qiáng)。

表1 換熱管Nu數(shù)對(duì)比

普通波節(jié)管及3種尺寸的內(nèi)螺紋波節(jié)管進(jìn)出口壓降與管內(nèi)流體體積流量的關(guān)系見圖8。根據(jù)計(jì)算結(jié)果，普通波節(jié)管和內(nèi)螺紋波節(jié)管進(jìn)出口壓降均隨進(jìn)口流量的增大而增大，而且增加速度越來越快。圖中呈現(xiàn)出另外一種變化趨勢(shì)，即內(nèi)螺紋波節(jié)管的進(jìn)出口壓降隨著螺紋牙高度的減小而減小，而且壓降值都大于普通波節(jié)管，1#、2#、3#內(nèi)螺紋波節(jié)管與普通波節(jié)管壓降分別相差9.98%，4.98%和1.88%。管內(nèi)螺紋引入了局部阻力損失，螺紋越深，引入的局部阻力系數(shù)越大，換熱管進(jìn)出口壓降也就越大。

qV/(m3·h-1)圖8 壓降隨流量變化

波節(jié)管和3種結(jié)構(gòu)內(nèi)螺紋波節(jié)管管內(nèi)摩擦因子f隨雷諾數(shù)Re的變化情況見圖9。從圖9可以看出，隨著Re的增大，4根換熱管的管內(nèi)摩擦因子均呈下降趨勢(shì)。1#內(nèi)螺紋波節(jié)管摩擦因子一直保持最大，普通波節(jié)管為最小。3根內(nèi)螺紋波節(jié)管管內(nèi)摩擦因子相差不大，相差約0.01，而三者之中摩擦因子最小的3#內(nèi)螺紋波節(jié)管摩擦因子比普通波節(jié)管大0.09，這一差值相對(duì)來說比較大。這說明在內(nèi)螺紋波節(jié)管直邊段加工內(nèi)螺紋對(duì)于管內(nèi)阻力的影響比較明顯，在一定程度上增大了波節(jié)管的管內(nèi)摩擦因子?？紤]到隨著螺紋牙高度的增加，Nu的增加很微小，因此，螺紋牙較低的內(nèi)螺紋換熱管具有較好的綜合性能。

Re圖9 摩擦因子隨流量變化

4 結(jié) 論

通過對(duì)強(qiáng)化傳熱的波節(jié)管和內(nèi)螺紋管的研究，結(jié)合兩者的特點(diǎn)，提出一種新型強(qiáng)化傳熱的內(nèi)螺紋波節(jié)管。這種換熱管綜合了波節(jié)管和內(nèi)螺紋換熱管的特點(diǎn)，在波節(jié)管強(qiáng)化傳熱的基礎(chǔ)上進(jìn)一步提高換熱管的傳熱性能。采用數(shù)值模擬的方法對(duì)內(nèi)螺紋波節(jié)管內(nèi)的流體狀態(tài)和傳熱性能進(jìn)行了研究，并和普通的波節(jié)管進(jìn)行了對(duì)比分析，主要結(jié)論如下。

(1) 在內(nèi)螺紋波節(jié)管與普通波節(jié)管中，流體速度沿著軸線方向均呈周期性變化，但由于內(nèi)螺紋波節(jié)管在直邊段存在內(nèi)螺紋，這一區(qū)域的湍流更加劇烈，而普通波節(jié)管直管段速度變化則沒有呈現(xiàn)出這種擾動(dòng)，速度的變化比較單一。隨著流速的增大，2種換熱管近管壁處等溫線越來越密，說明傳熱系數(shù)隨著流體速度的增大而增大。出口處的低溫區(qū)域也隨著流速的增大而增大，說明管內(nèi)冷流體的出口溫度減?。?/p>

(2) 與普通波節(jié)管相比，內(nèi)螺紋波節(jié)管對(duì)于管內(nèi)的傳熱有明顯的強(qiáng)化，其管內(nèi)Nu較普通波節(jié)管增大了約10%，而且隨著管內(nèi)流量的增加，強(qiáng)化效果有越來越明顯的趨勢(shì)。不同幾何結(jié)構(gòu)內(nèi)螺紋波節(jié)管對(duì)比發(fā)現(xiàn)，管內(nèi)螺紋螺距更大，螺紋牙更高，螺紋造成的管內(nèi)流體的擾流作用更強(qiáng)，強(qiáng)化傳熱作用更強(qiáng)；

(3) 內(nèi)螺紋波節(jié)管進(jìn)出口壓力損失較普通波節(jié)管大，其增大程度也與螺紋高度有關(guān)，螺紋牙越高，壓降越大?？紤]到隨著螺紋牙高度的增加，Nu的增加很微小，因此，螺紋牙較低的內(nèi)螺紋換熱管具有較好的綜合性能。

[ 參 考 文 獻(xiàn) ]

[1] 林宗虎. 管式換熱器中的單相流體強(qiáng)化傳熱技術(shù)[J].自然雜志,2013,35(5)：313-319.

[2] 齊洪洋,高磊,張瑩瑩,等.管殼式換熱器強(qiáng)化傳熱技術(shù)概述[J].壓力容器,2012,29(7)：73-78.

[3] 張偉瑋，韓聰，韓懷志，等.波節(jié)形狀對(duì)波節(jié)管結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和傳熱特性的影響[J].哈爾濱工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2013,45(7)：57-62.

[4] 馬小晶,胡申華,閆亞嶺.波節(jié)管強(qiáng)化傳熱的三維數(shù)值模擬分析研究[J].水力發(fā)電,2012,38(1)：87-90.

[5] 徐建民,王曉清.波節(jié)管管內(nèi)流動(dòng)和傳熱的數(shù)值模擬[J].石油化工設(shè)備,2008,37(1)：4-7.

[6] R S Amano.A numerical study of laminar and turbulent heat transfer in a periodically corrugated wall channel [J].J Heat Transfer，1985，107(3)：564-569.

[7] M Balcilar，K Aroonrat，A S Dalkilic，et al.A numerical correlation development study for the determination of Nusselt numbers during boiling and condensation of R134a inside smooth and corrugated tubes [J].International Communications in Heat and Mass Transfer,2013,48：141-148.

[8] 孫東亮，樊菊芳，王良璧.內(nèi)螺紋肋管內(nèi)流動(dòng)與傳熱的數(shù)值模擬[J].工程熱物理學(xué)報(bào),2005,26(3)：483-485.

[9] 韓占忠，姚仲鵬，張軍，等.單頭螺旋槽紋管管內(nèi)流動(dòng)和換熱的數(shù)值模擬[J].北京理工大學(xué)學(xué)報(bào),2001,21(3)：292-295.

[10] 成大先.機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社,2007：17-21.