換熱管內(nèi)插螺旋強(qiáng)化傳熱的數(shù)值模擬

馮修燕，張治坤

換熱管內(nèi)插螺旋強(qiáng)化傳熱的數(shù)值模擬

馮修燕，張治坤

（湖南化工職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖南株洲 412000）

換熱管內(nèi)插入鋼絲螺旋改變了管內(nèi)的流動(dòng)狀態(tài)。通過(guò)數(shù)值模擬，研究?jī)?nèi)插螺旋換熱管內(nèi)速度場(chǎng)與溫度場(chǎng)的分布特性，對(duì)空管和內(nèi)插螺旋換熱管進(jìn)行了比較。模擬結(jié)果表明，在相同條件下，內(nèi)插螺旋能夠有效地改善換熱管內(nèi)速度場(chǎng)和溫度場(chǎng)，驗(yàn)證了管內(nèi)插螺旋是提高換熱性能的有效手段。

換熱管；螺旋；強(qiáng)化傳熱；數(shù)值模擬

污垢的存在［1］，不僅縮短了換熱器的使用壽命，還使得傳熱效率大幅度降低，最終影響企業(yè)生產(chǎn)效益，造成重大經(jīng)濟(jì)損失。

對(duì)于管式換熱器，換熱管內(nèi)側(cè)污垢熱阻的存在，大大增加了傳熱的阻力，使總的換熱系數(shù)減小，換熱效率降低。管內(nèi)插鋼絲螺旋線圈是管式換熱器強(qiáng)化傳熱的一種重要手段，在節(jié)能領(lǐng)域具有一定的工程應(yīng)用價(jià)值［2］。

1　換熱管內(nèi)插螺旋強(qiáng)化傳熱理論分析

管內(nèi)側(cè)傳熱主要與管內(nèi)流體熱邊界層有關(guān)，熱邊界層越薄越有利于強(qiáng)化傳熱，通過(guò)管內(nèi)插螺旋線的數(shù)值模擬的分析，螺旋的存在可以抑制污垢的產(chǎn)生和減薄熱邊界層，從而能夠強(qiáng)化傳熱。

管內(nèi)插螺旋［3-5］可以很好地?cái)_動(dòng)管內(nèi)接近壁面出的流體，使流體在流經(jīng)螺旋時(shí)產(chǎn)生漩渦，加強(qiáng)了整個(gè)徑向截面內(nèi)的流體混合，提高了管內(nèi)的雷諾數(shù)。流體由于受到螺旋鋼絲的阻擋，在徑向方向上會(huì)產(chǎn)生一定的流速，這個(gè)流速方向與傳熱的方向是平行的，因此可以很好地強(qiáng)化管內(nèi)流體在徑向截面上的熱量傳遞，起到了很好的強(qiáng)化傳熱效果［6］。

2　換熱管內(nèi)插螺旋數(shù)值模擬及結(jié)果分析

通過(guò)Fluent2.0軟件數(shù)值模擬空管與內(nèi)插螺旋換熱管某一段截面上的速度、溫度、壓力云圖并進(jìn)行對(duì)比分析。所選取換熱管長(zhǎng)度內(nèi)徑均相同，進(jìn)出口邊界條件設(shè)定一致，假設(shè)壁面為恒溫邊界，對(duì)流場(chǎng)加熱。圖1為換熱管的計(jì)算模型圖。

圖1　換熱管的計(jì)算模型圖

截取兩根換熱管中間部分的管段進(jìn)行研究，如圖2所示，對(duì)該段垂直于坐標(biāo)軸x方向的中性面即x=0截面進(jìn)行研究。

圖3為所選取管段x=0截面的速度云圖，（a）為空管的速度流場(chǎng)，（b）為管內(nèi)插螺旋的速度流場(chǎng)。從流速云圖可以看出螺旋的存在對(duì)流場(chǎng)產(chǎn)生了影響，內(nèi)插螺旋使得最大流速增加。空管的流場(chǎng)變化均勻，從壁面往管軸心方向，流速大小一層一層增加直到最大流速不變，中心處流速最大且范圍基本不變；內(nèi)插螺旋所產(chǎn)生的流場(chǎng)層狀感不強(qiáng)較混亂，最大流速已發(fā)生在中心處，可以看到位于壁面與鋼絲螺旋之間的顏色變深，說(shuō)明該位置處邊界層受到螺旋的影響。將該小段左側(cè)邊界線命名為入口，右側(cè)邊界線命名為出口，圖4為入口與出口邊的具體速度大小變化的坐標(biāo)點(diǎn)，（a）對(duì)應(yīng)為空管，（b）則為內(nèi)插螺旋管。圖4（a）空管的速度變化呈現(xiàn)拋物線，且入口與出口速度幾乎相同；圖4（b）管內(nèi)插螺旋的徑向方向速度大小發(fā)生變化，與圖4（a）相比梯度增加，說(shuō)明內(nèi)插螺旋線減薄了流動(dòng)邊界層的厚度。

圖3　速度云圖

圖4　進(jìn)口與出口邊界線的速度大小

圖5為所選取段x=0截面的溫度場(chǎng)云圖，圖5（a）為空管的溫度場(chǎng)，圖5（b）為內(nèi)插螺旋管的溫度場(chǎng)。溫度場(chǎng)的變化情況基本與流場(chǎng)一致，可以看出內(nèi)插螺旋線破壞了溫度場(chǎng)的均勻性，螺旋的加入使得整體溫度場(chǎng)得到了提高，意味著熱量從壁面更多的傳遞到了流場(chǎng)。如圖6所示，流動(dòng)邊界層與溫度邊界層發(fā)生減薄現(xiàn)象，壁面附近溫度呈現(xiàn)梯度變化，可見(jiàn)管內(nèi)插螺旋強(qiáng)化了管內(nèi)傳熱。

圖5　溫度云圖

圖6 進(jìn)口與出口邊界線的溫度大小

圖7為此段出口截面的速度矢量圖，由圖7（a）空管可以看出流體保持直線流動(dòng)；從圖7（b）圖管內(nèi)插螺旋看出流體在出口產(chǎn)生了明顯的旋流效果，多數(shù)矢量箭頭線與管壁面呈一定角度，并非平行，說(shuō)明這種旋流效果對(duì)管壁面有沖擊作用。圖8為從進(jìn)口邊界線發(fā)出的流線圖，對(duì)比空管與內(nèi)插螺旋圖，明顯看出螺旋的作用使得管內(nèi)流場(chǎng)產(chǎn)生了強(qiáng)旋流效果，而這種強(qiáng)旋流效果對(duì)熱量的傳遞具有強(qiáng)化作用。但是強(qiáng)旋流是以壓力的損失作為代價(jià)，具體是否具有強(qiáng)化傳熱效果，需要對(duì)壓力損失與熱量傳遞強(qiáng)化進(jìn)行綜合考慮。據(jù)文獻(xiàn)研究，管內(nèi)插螺旋能夠?qū)崿F(xiàn)強(qiáng)化傳熱［7］。

3　結(jié)論

通過(guò)對(duì)換熱空管和內(nèi)插螺旋換熱管進(jìn)行數(shù)值模擬，對(duì)其傳熱性能進(jìn)行比較分析，結(jié)果表明管內(nèi)插螺旋減薄了流動(dòng)邊界層的厚度和溫度邊界層的厚度，螺旋的作用使得管內(nèi)流場(chǎng)產(chǎn)生了強(qiáng)旋流效果，管內(nèi)插鋼絲螺旋的存在可以強(qiáng)化傳熱，為繼續(xù)研究提供了依據(jù)。

圖7　出口截面的速度矢量圖

圖8　入口邊界線發(fā)出的流線圖

［1］ 吳雙應(yīng).污垢對(duì)換熱器傳熱性能影響［J］.石油化工設(shè)備，2010，29（1）.

［2］ 楊善讓，徐志明，孫靈芳.換熱設(shè)備污垢與對(duì)策［M］.北京：科學(xué)出版社，2014.

［3］ 徐天華，崔乃瑛，譚盈科，等.開發(fā)管內(nèi)插入物強(qiáng)化高粘液體傳熱的方法探討［C］.1986：19.

［4］ 徐建民，熊雯，皮威，等.內(nèi)插自振彈簧換熱管傳熱性能試驗(yàn)研究［J］.石油化工設(shè)備，2010，39（3）：9-12.

［5］ P.Murugesan，K.Mayilsamy，S.Suresh，等.圓形管中填充帶圓釘?shù)穆菪隣罱饘賻r(shí)的傳熱和流動(dòng)阻力研究［J］.中國(guó)化學(xué)工程學(xué)報(bào)（英文版），2010，18（6）：1038-1042.

［6］ 俞秀民，吳金香，俞天藍(lán)，等.旋轉(zhuǎn)螺旋除垢防垢技術(shù)研究［J］.化學(xué)清洗，2006，12（3）：34-37.

［7］ 易偉.冷卻結(jié)晶設(shè)備管內(nèi)自轉(zhuǎn)螺旋自動(dòng)清洗技術(shù)研究［D］.碩士論文，湖南工業(yè)大學(xué)，2008.

Numerical Simulation on Enhanced Heat Transfer of Pipe Inserted with Steel spiral

Feng Xiu-yan，Zhang Zhi-kun

The steel spiral inserted of pipe changes the flow state.Through numerical simulation，we studied the distribution characteristics of the velocity and temperature field，compared the empty tube and the inserted with steel spiral tube.Simulation results show that the inserted with steel spiral tube can effectively alter the speed and temperature field in the heat transfer tube under the same conditions，and also is an effective means to improve the heat transfer performance.

heat exchange tube；steel spiral；enhanced heat transfer；numerical simulation

TK124

B

1003-6490（2016）06-0093-02