新型外螺紋橫紋管管外強(qiáng)化傳熱分析

李洪亮，關(guān)延軍，劉嘉渝，門啟明，杜柯江

(1.中國(guó)石油云南石化公司，云南 昆明 650399；2.中國(guó)石油吉林石化公司 乙烯廠，吉林 吉林 132021；3.中國(guó)石油吉林石化公司 建修公司，吉林 吉林 132021；4.上海船用柴油機(jī)研究所，上海 201108)

橫紋管出現(xiàn)于20世紀(jì)70年代，是一種強(qiáng)化傳熱管，主要用于管內(nèi)傳熱的強(qiáng)化。其以光管為基管，通過(guò)滾壓的方式在換熱管上制作周期性的凹槽，使介質(zhì)在管內(nèi)流動(dòng)時(shí)形成渦流，破壞邊界層，達(dá)到傳熱強(qiáng)化的目的[1-2]。經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展，橫紋管換熱器的設(shè)計(jì)、制造技術(shù)已經(jīng)成熟，公開(kāi)發(fā)表的研究也比較多。Arman[3]、莊禮賢[4]以及黃德斌[5]等采用實(shí)驗(yàn)或數(shù)值模擬的方法研究了橫紋管的管內(nèi)傳熱性能。不過(guò)關(guān)于橫紋管管外傳熱性能的研究還比較少見(jiàn)，僅江楠等[6]給出了橫紋管管殼式換熱器的設(shè)計(jì)計(jì)算方法。

相比于普通光管，由于管外存在凹槽造成的擾動(dòng)，橫紋管能夠起到一定的管外傳熱強(qiáng)化作用，但并不明顯?；谶@一特點(diǎn)，作者通過(guò)在橫紋管管外直邊段加工外螺紋的方式增強(qiáng)其管外流體擾動(dòng)，進(jìn)一步提高其傳熱性能。

1 新型外螺紋橫紋管

外螺紋橫紋管以橫紋管為基管，其直邊段加工標(biāo)準(zhǔn)外螺紋，以充分利用管外直邊段結(jié)構(gòu)，從而強(qiáng)化其管外傳熱。為了方便標(biāo)準(zhǔn)化制作，直邊段新增外螺紋為標(biāo)準(zhǔn)螺紋尺寸。以此為依據(jù)確定新型換熱管的結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1。

圖1 外螺紋橫紋管

雖然從原理上分析，新型換熱管能夠增強(qiáng)管外的流體擾動(dòng)，對(duì)管外傳熱有積極的作用，但作為一種新型強(qiáng)化傳熱管，目前并不能定量說(shuō)明其管外傳熱強(qiáng)化程度。

為解決這一問(wèn)題，作者采用數(shù)值模擬的方法，研究外螺紋橫紋管的管外傳熱和流動(dòng)特性，通過(guò)管外流體的速度分布和溫度分布規(guī)律，分析其管外強(qiáng)化傳熱機(jī)理。同時(shí)，比較相當(dāng)尺寸和邊界條件下，外螺紋橫紋管和普通橫紋管的傳熱和流動(dòng)效果，直觀地說(shuō)明外螺紋橫紋管對(duì)管外傳熱的強(qiáng)化作用。

2 計(jì)算模型

2.1 幾何模型

考慮到普通橫紋管具有管內(nèi)強(qiáng)化傳熱作用，確定幾何尺寸時(shí)，以相關(guān)文獻(xiàn)[7]中對(duì)普通橫紋管管內(nèi)傳熱研究給出的最優(yōu)幾何結(jié)構(gòu)作為本節(jié)數(shù)值模擬的基管結(jié)構(gòu)，在該結(jié)構(gòu)管外直邊段上添加外螺紋，以得到綜合傳熱性能最好的新型換熱管結(jié)構(gòu)。作者模擬采用的外螺紋橫紋管及用于對(duì)比的普通橫紋管結(jié)構(gòu)尺寸見(jiàn)圖2、表1。為了對(duì)比不同螺紋尺寸新型換熱管的傳熱能力，建立了三種不同螺紋高度的幾何模型。

a 外螺紋橫紋管

b 普通橫紋管圖2 幾何模型

mm

2.2 網(wǎng)格劃分

根據(jù)以上幾何結(jié)構(gòu)及尺寸創(chuàng)建的幾何模型和網(wǎng)格劃分情況見(jiàn)圖3，圖中的外螺紋橫紋管為螺紋齒高為1 mm的模型。

a 普通橫紋管

b 外螺紋橫紋管圖3 幾何模型及網(wǎng)格劃分

2.3 邊界條件

數(shù)值模擬參考文獻(xiàn)[8](主要內(nèi)容是波紋管殼程流動(dòng)與傳熱數(shù)值模擬)中用于其它形式強(qiáng)化管傳熱數(shù)值模擬的邊界條件設(shè)置，選擇速度進(jìn)口作為入口邊界條件(velocity inlet)，出口邊界設(shè)置為自由出口(outflow)。

由于建模時(shí)沒(méi)有考慮管內(nèi)的流動(dòng)區(qū)域，管外流體的受熱升溫過(guò)程通過(guò)在換熱管外壁面給定一個(gè)較高的溫度實(shí)現(xiàn)，模擬壁面溫度設(shè)為90 ℃。同時(shí)，為了使外螺紋橫紋管與普通橫紋管的對(duì)比更加明顯，需給定較大的傳熱溫差，設(shè)定進(jìn)口邊界溫度為20 ℃。介質(zhì)定性溫度采用試算的方法確定，首先采用進(jìn)口溫度20 ℃時(shí)流體物性進(jìn)行試算，計(jì)算得到相應(yīng)的出口溫度，再用進(jìn)、出口溫度的平均值作為最終的定性溫度進(jìn)行計(jì)算。試算得到管外出口溫度為22.88 ℃，定性溫度為進(jìn)出口平均溫度21.44 ℃，因此采用21.44 ℃時(shí)水的物性作為介質(zhì)溫度進(jìn)行計(jì)算。

在壁面邊界條件設(shè)置對(duì)話框中勾選壁面熱傳導(dǎo)，壁面材料為不銹鋼(stainless steel)，給定壁面厚度為2 mm。這樣操作會(huì)使Fluent在計(jì)算過(guò)程中自動(dòng)考慮壁面的導(dǎo)熱，因而不用在建立幾何模型時(shí)額外建立真實(shí)的壁厚，簡(jiǎn)化了整個(gè)計(jì)算過(guò)程。

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。壓力速度求解器選擇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(guò)程中監(jiān)測(cè)出口的溫度值，以此來(lái)判斷計(jì)算是否收斂。定義收斂條件為默認(rèn)條件，即能量方程殘差小于1×10-6收斂，其余方程小于1×10-3收斂。計(jì)算過(guò)程中監(jiān)測(cè)換熱管壁面?zhèn)鳠崃?，以此?lái)判斷計(jì)算是否收斂(隨著迭代的進(jìn)行，壁面?zhèn)鳠崃糠€(wěn)定在某一特定值，認(rèn)為計(jì)算收斂)。

3 結(jié)果分析

3.1 流動(dòng)分析

由于傳熱與流動(dòng)存在一定的關(guān)系，分析新型換熱管管外流動(dòng)情況，通過(guò)對(duì)比外螺紋橫紋管與普通橫紋管管外速度云圖，得到兩種換熱管管外流動(dòng)情況，進(jìn)而分析新型換熱管強(qiáng)化傳熱機(jī)理。

普通橫紋管及外螺紋橫紋管管外橫紋槽處的速度分布見(jiàn)圖4。從圖4可以直觀地看出外螺紋對(duì)于流動(dòng)的擾動(dòng)。普通橫紋管在橫紋槽之間直邊段位置的速度等值線基本與管壁平行，只是在橫紋槽的位置會(huì)由于流動(dòng)區(qū)域的突然變大和變小造成速度等值線的波動(dòng)。而外螺紋橫紋管由于其直邊段存在螺紋，流體在這一區(qū)域的流動(dòng)呈現(xiàn)出一定的波動(dòng)。該種波動(dòng)也會(huì)朝著遠(yuǎn)離管壁的區(qū)域擴(kuò)散，表現(xiàn)在圖中即是外螺紋橫紋管的管外高速流動(dòng)區(qū)域更大。

螺紋的存在引發(fā)的流體擾動(dòng)能夠持續(xù)破壞流動(dòng)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)使換熱管的抗結(jié)垢能力增強(qiáng)，對(duì)于傳熱也有很大的促進(jìn)作用。

a 普通橫紋管

b 外螺紋橫紋管圖4 局部速度云圖

3.2 傳熱分析

3.2.1 改造前后傳熱對(duì)比

為了方便對(duì)比，數(shù)值模擬了不同流速下外螺紋橫紋管和普通橫紋管的傳熱情況。利用數(shù)值模擬得到的1 mm齒高外螺紋橫紋管和普通橫紋管的各種傳熱及流動(dòng)參數(shù)，對(duì)其傳熱和流動(dòng)阻力進(jìn)行定量對(duì)比。從模擬結(jié)果中導(dǎo)出原始參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 原始計(jì)算數(shù)據(jù)

為了評(píng)估在管外這邊段加工外螺紋對(duì)橫紋管管外傳熱的強(qiáng)化程度，通過(guò)以上數(shù)據(jù)計(jì)算得到兩種換熱管管外Nu，其隨Re變化的情況見(jiàn)圖5。

Re圖5 Nu隨Re變化

從圖5中可以發(fā)現(xiàn)，兩種結(jié)構(gòu)的換熱管其管外Nu均隨Re增大而增大，但外螺紋橫紋管管外Nu并非一直大于普通螺紋管，兩者的曲線在Re=8.7×104有所相交。也就是說(shuō)，在Re較小時(shí)，外螺紋橫紋管管傳熱效果更好，而當(dāng)Re達(dá)到一定程度后，反而是普通橫紋管的傳熱能力更強(qiáng)。這是由于Re較小時(shí)，流速較小，使得外螺紋的擾動(dòng)作用能夠充分發(fā)揮，而當(dāng)流速變大后，外螺紋帶來(lái)的擾動(dòng)反而不如本身的湍流擾動(dòng)，反而形成了一定的阻礙作用。所以，對(duì)比所采用的外螺紋橫紋管適用于9.4×103

雖然隨著Re的增大會(huì)出現(xiàn)外螺紋橫紋管管外Nu小于普通橫紋管的情況，但從表2可以發(fā)現(xiàn)，外螺紋橫紋管總傳熱量始終大于普通橫紋管。即使Re增大到一定值以后外螺紋橫紋管的傳熱能力不再大于普通橫紋管，但由于直邊段的螺紋使整個(gè)換熱管傳熱面積有所增加，總的管外傳熱量仍然大于普通橫紋管，管外傳熱還是得到了強(qiáng)化。

3.2.2 不同螺紋尺寸傳熱能力對(duì)比

對(duì)建立的三種尺寸(0.5、1、1.5 mm齒高)外螺紋橫紋管管外傳熱進(jìn)行對(duì)比，選出具有最佳管外傳熱性能的外螺紋橫紋管，為工程應(yīng)用提供參考。

不同齒高外螺紋橫紋管管外Nu隨Re的變化見(jiàn)圖6。

Re圖6 不同螺紋尺寸Nu對(duì)比

由圖6可以看出，管外Nu隨著Re的增大而增大，也就是說(shuō)流動(dòng)速度越快，外螺紋橫紋管傳熱效果更好。三種不同螺紋齒高的外螺紋橫紋管管外Nu相差不多，但從具體數(shù)據(jù)來(lái)看，在具有相同的Re的前提下，1.5 mm齒高Nu最大，0.5 mm齒高Nu最小。這說(shuō)明螺紋齒高越大，其對(duì)管外流體的擾流作用更強(qiáng)，換熱管傳熱能力更強(qiáng)。但總的來(lái)說(shuō)，三種不同齒高的外螺紋橫紋管管外Nu相差不多，可以近似認(rèn)為螺紋尺寸對(duì)于傳熱沒(méi)有影響。

3.3 壓降分析

3.3.1 改造前后壓降對(duì)比

兩種換熱管壓降對(duì)比見(jiàn)圖7。從圖7可以看出，兩種形式換熱管的管外壓降均隨Re的增大而增大。而且無(wú)論在什么流速范圍，外螺紋橫紋管的管外流動(dòng)阻力降始終高于普通橫紋管。這說(shuō)明在橫紋管管外直邊段上加工的螺紋對(duì)于流動(dòng)阻力的影響比較明顯，且隨著Re的增大，其管外壓降增大的比例越大。在考察范圍內(nèi)，流速為10 m/s時(shí)兩者相差最大，為10.11%。

Re圖7 壓降隨Re變化

3.3.2 不同螺紋尺寸壓降對(duì)比

不同螺紋尺寸外螺紋橫紋管管外進(jìn)出口壓降對(duì)比見(jiàn)圖8。

Re圖8 不同螺紋尺寸壓降對(duì)比

由圖8可以發(fā)現(xiàn)，隨著螺紋深度的增加，外螺紋橫紋管管外流動(dòng)阻力損失逐漸增大，三種尺寸中，1.5 mm齒高壓降最大。三中螺紋尺寸阻力降相差比例在Re最大時(shí)達(dá)到最大值，為5.38%?？紤]到之前Nu對(duì)比結(jié)論，認(rèn)為螺紋齒高較小的0.5 mm結(jié)構(gòu)為傳熱和阻力損失綜合性能較好的外螺紋橫紋管結(jié)構(gòu)。

4 結(jié) 論

通過(guò)對(duì)橫紋管的結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，提出一種在橫紋管基礎(chǔ)上提高管外強(qiáng)化傳熱能力的新型外螺紋橫紋換熱管。采用數(shù)值模擬的方法對(duì)外螺紋橫紋管的流體狀態(tài)和傳熱性能進(jìn)行了研究，并和普通橫紋管進(jìn)行了對(duì)比分析。主要結(jié)論如下。

(1) 新型外螺紋橫紋管將橫紋管與外螺紋換熱管結(jié)合，通過(guò)在橫紋管外壁面加工外螺紋得到，使橫紋管的管外傳熱能力進(jìn)一步增強(qiáng)；

(2) 與普通橫紋管相比，外螺紋橫紋管對(duì)于管外的傳熱有比較明顯的強(qiáng)化，其管外Nu最大增加比例為43%。但隨著Re的增加，強(qiáng)化效果逐漸減弱，到Re增大到一定程度時(shí)，其管外傳熱能力反而不如普通橫紋管。不同幾何結(jié)構(gòu)外螺紋橫紋管對(duì)比發(fā)現(xiàn)，管外螺紋螺距更大，螺紋牙更高，螺紋造成的流體擾動(dòng)作用更強(qiáng)，傳熱效果更好；

(3) 外螺紋橫紋管管外阻力損失比普通橫紋管大，增大程度與螺紋高度有關(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，螺紋牙較低的外螺紋橫紋管具有更好的綜合性能。

參 考 文 獻(xiàn)：

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Analysisonheattransferenhancementofthenewpattern