T型翅片管管外沸騰強(qiáng)化傳熱的數(shù)值模擬研究

秦政　劉闖　曹凱　門啟明　杜柯江

T型翅片管管外沸騰強(qiáng)化傳熱的數(shù)值模擬研究

秦政*1劉闖2曹凱3門啟明1杜柯江1

（1.上海船用柴油機(jī)研究所2.中國(guó)石油吉林石化化肥廠3.中國(guó)石油吉林石化建修公司）

利用計(jì)算流體力學(xué)軟件Fluent，對(duì)T型翅片管和光滑管管外沸騰強(qiáng)化傳熱進(jìn)行了數(shù)值模擬研究。結(jié)合T型翅片管的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，分析了該換熱管的沸騰強(qiáng)化傳熱機(jī)理。在所研究的范圍內(nèi)，T型翅片管管外沸騰傳熱系數(shù)最大時(shí)高于光滑管23.2%，強(qiáng)化傳熱效果明顯。同時(shí)，綜合評(píng)價(jià)了T型翅片管強(qiáng)化傳熱和增加壓降的性能。研究結(jié)果表明，其強(qiáng)化傳熱綜合性能評(píng)價(jià)因子在不同流速下均大于1，說(shuō)明T型翅片管有較好的強(qiáng)化傳熱效果。

T型翅片管沸騰強(qiáng)化傳熱數(shù)值模擬換熱管流速壓降

0　引言

沸騰強(qiáng)化傳熱是強(qiáng)化傳熱技術(shù)中的一個(gè)重要領(lǐng)域。沸騰強(qiáng)化傳熱主要是通過(guò)多孔表面增加汽化核心的方法來(lái)進(jìn)一步提高設(shè)備的換熱效率，更合理地利用能源［1-2］。

根據(jù)制造方法的不同可將多孔表面分為兩類，一類為多孔覆蓋表面，另一類為多孔開(kāi)孔表面。所謂多孔覆蓋表面，就是在換熱面上通過(guò)燒結(jié)、電鍍等方法加工一層多孔層；所謂開(kāi)孔表面，就是通過(guò)機(jī)械方法或者其他方法在光滑換熱面上加工出凹槽、細(xì)縫等容易形成汽化核心的表面結(jié)構(gòu)［3-4］。本文研究的T型翅片管，其換熱表面就是一種典型的機(jī)械加工多孔表面，具有加工過(guò)程簡(jiǎn)單、制造成本低等優(yōu)點(diǎn)［5］。

T型翅片管在1978年就已問(wèn)世，具有良好的沸騰強(qiáng)化傳熱效果，已得到了廣泛的應(yīng)用［6］。近年來(lái)，隨著數(shù)值模擬技術(shù)的逐漸完善，大量強(qiáng)化傳熱研究采用CFD軟件進(jìn)行，但目前尚未見(jiàn)到采用數(shù)值模擬方法對(duì)T型翅片管管外沸騰傳熱進(jìn)行研究的公開(kāi)報(bào)道。本文利用Fluent 14.0中的沸騰模型對(duì)T型翅片管管外沸騰傳熱進(jìn)行模擬。結(jié)合其管外溫度、氣相體積分?jǐn)?shù)分布等數(shù)據(jù)信息，探討T型翅片管管外沸騰強(qiáng)化傳熱的機(jī)理。本研究也為Fluent軟件在沸騰傳熱研究領(lǐng)域的應(yīng)用提供了一定的參考。

1　求解設(shè)置及邊界條件

本文研究的T型翅片管結(jié)構(gòu)及幾何參數(shù)如圖1所示?？紤]到數(shù)值模型的簡(jiǎn)化以及網(wǎng)格劃分問(wèn)題，數(shù)值模型只保留200 mm的換熱管長(zhǎng)度。

圖1　T型翅片管結(jié)構(gòu)

用于對(duì)比的直管模型與T型翅片管相同，為?25×2.5×200換熱管。由于T型翅片管翅片尺寸相對(duì)較小，導(dǎo)致三維模型需要大量的網(wǎng)格，使計(jì)算變得更加復(fù)雜，且換熱管為對(duì)稱模型，因此本文采用一半換熱管的二維模型進(jìn)行計(jì)算。

數(shù)值模擬對(duì)象為管外沸騰強(qiáng)化傳熱，因此只建立了管外流動(dòng)區(qū)域，其區(qū)域?qū)挾葹閾Q熱管間距的一半15.8 mm，長(zhǎng)度為200 mm。

圖2為T型翅片管翅片部分網(wǎng)格劃分情況，可以看出，翅片部分網(wǎng)格較細(xì)。沿著遠(yuǎn)離翅片的流體區(qū)域，網(wǎng)格逐漸變粗，并有平滑的過(guò)渡。對(duì)于上述兩種換熱管劃分若干種不同尺寸的網(wǎng)格并進(jìn)行網(wǎng)格無(wú)關(guān)解驗(yàn)證，最終得到光滑管網(wǎng)格數(shù)為3800左右，T型翅片管網(wǎng)格數(shù)較多，為40 800左右。

圖2　翅片部位網(wǎng)格劃分

選擇歐拉多相流模型中的沸騰模型（boiling model），在沸騰選項(xiàng)中選擇RPI沸騰模型（RPI boiling model）。黏度選擇標(biāo)準(zhǔn)k-epsilon模型，并選擇標(biāo)準(zhǔn)壁面方程（standard wall functions）。在Phases選項(xiàng)卡下Interaction中選擇適用于本工況沸騰計(jì)算的計(jì)算模型。

設(shè)置模型左側(cè)邊為速度進(jìn)口，右側(cè)邊為壓力出口，出口壓力為常壓。計(jì)算進(jìn)口流速分別為1.2 m/s、1.4 m/s、1.6 m/s、1.8 m/s和2.0 m/s時(shí)管外沸騰傳熱情況。光管下側(cè)邊和翅片管翅片側(cè)為壁面邊界，給定恒定壁溫105℃，模型上部直邊段設(shè)置為絕熱壁面。為了更加明顯地觀察沸騰現(xiàn)象，給定入口為飽和水（水溫為100℃）。

設(shè)置速度壓力求解器為Coupled，其余均為二階迎風(fēng)格式（second order upwind）。松弛因子根據(jù)Fluent幫助文檔中推薦值進(jìn)行設(shè)置。

計(jì)算過(guò)程中監(jiān)測(cè)出口的氣相體積分?jǐn)?shù)，以此來(lái)判斷計(jì)算是否收斂。

2　計(jì)算結(jié)果分析

2.1速度云圖分析

圖3　T型翅片管管外氣相速度矢量圖

圖3為流速1.2 m/s時(shí)T型翅片管管外氣相速度矢量圖。由圖3可以看出，在流動(dòng)區(qū)域內(nèi)，氣相速度逐漸增大，最大速度達(dá)到2.34 m/s，大于給定進(jìn)口速度1.2 m/s。這是由于氣體在產(chǎn)生過(guò)程中不僅受到流動(dòng)液體的作用沿著流動(dòng)方向繼續(xù)流動(dòng)，而且受到浮升力作用，兩者疊加使流速增大。同時(shí)，氣泡的產(chǎn)生和破滅會(huì)不斷擾動(dòng)主流區(qū)域，使主流的湍流程度增加，也會(huì)使部分區(qū)域的流速增大。圖中對(duì)換熱管末端翅片部位的氣相速度矢量圖進(jìn)行了放大，可以看到，翅片位置產(chǎn)生的氣相均在浮升力的作用下，朝著遠(yuǎn)離加熱面的方向流動(dòng)。而且與主流區(qū)域相比，翅片位置液體流動(dòng)并不劇烈，流速僅為0.2 m/s左右。

圖4為光滑管管外沸騰工況下氣相速度矢量圖，氣相流速最大為1.42 m/s，小于T型翅片管的2.34 m/s。而且光滑管外流動(dòng)比較有規(guī)律，其速度矢量基本上為平行矢量，方向也基本相同。也就是說(shuō)，由于光滑管管外沒(méi)有凹坑和凸出物，相對(duì)而言不容易生成汽泡。此外，翅片能夠間接增大傳熱面積，因而翅片管更有利于傳熱。

圖4　光滑管外氣相速度矢量圖

2.2氣相分率及壓降分析

將進(jìn)口流速為1.2 m/s時(shí)T型翅片管和普通光滑管計(jì)算域中心線上氣相體積分?jǐn)?shù)值示于圖5中，圖5（a）為T型翅片管氣相體積分?jǐn)?shù)分布，圖（b）為光滑管氣相體積分?jǐn)?shù)分布?？梢钥闯?，沿著中心線方向，兩種換熱管氣相體積分?jǐn)?shù)均呈遞增趨勢(shì)，且在流體流過(guò)一段距離后，增長(zhǎng)速度增快。對(duì)比兩種換熱管管外氣相分布可以看出，T型翅片管管外氣相體積分?jǐn)?shù)大，兩者最大值相差13%左右，而光滑管中心線氣相體積分?jǐn)?shù)最大也只有7%。在進(jìn)口流速及換熱管壁面溫度均相同的條件下，T型翅片管產(chǎn)生的蒸汽量大，傳熱量遠(yuǎn)大于普通光滑管。

圖5　換熱管中心線氣相體積分?jǐn)?shù)分布

圖6為兩種換熱管沿中心線上混合相壓力分布情況，圖中橫坐標(biāo)為中心線上位置，縱坐標(biāo)為混合相壓力。兩種換熱管壓降趨勢(shì)相同，沿著流動(dòng)方向逐漸降低。不同的是，由于翅片導(dǎo)致了更大的摩擦阻力損失，T型翅片管管外計(jì)算域中心線上壓降更大，達(dá)到650 Pa左右，而光滑管只有225 Pa。

圖6　換熱管中心線壓力分布

圖7　不同流速下?lián)Q熱管管外氣相體積分?jǐn)?shù)對(duì)比

數(shù)值計(jì)算了不同流速下T型翅片管和光滑管管外沸騰傳熱情況。圖7所示為不同流速下兩種換熱管管外平均氣相體積分?jǐn)?shù)對(duì)比，隨著流速的增加，兩種換熱管管外氣相體積分?jǐn)?shù)均呈減小趨勢(shì)。這種現(xiàn)象是由于流速的增加，使得冷流體受熱時(shí)間減少，冷流體無(wú)法得到充分的加熱，即在沸騰工況中冷流體沒(méi)有得到充分的沸騰，因此其氣相生成量也就隨著流速的增加而減小。

圖7也反應(yīng)出T型翅片管沸騰傳熱能力強(qiáng)于光滑管，其管外平均氣相體積分?jǐn)?shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于光滑管。流速為1.2 m/s時(shí)管外氣相為光滑管的3.7倍多，2.0 m/s時(shí)最大，達(dá)到4.5倍。機(jī)械加工得到的管外凹坑為氣泡的形成提供了極為有利的條件，氣泡的生成和破滅同時(shí)也在一定程度上增加了流動(dòng)的湍流程度，進(jìn)一步強(qiáng)化了換熱管外沸騰傳熱。另外，T型翅片管也在很大程度上增加了換熱管的有效換熱面積，使得傳熱量增大，氣泡生成量增多。

圖8為不同流速下兩種換熱管管外進(jìn)出口壓力降對(duì)比，可以看出，隨著流速的增加，管外壓降呈上升趨勢(shì)，且T型翅片管上升速度更快，相差最多時(shí)為光滑管壓降的3倍左右。這是由于T型翅片管機(jī)加工表面引入了更大的流動(dòng)阻力，因此對(duì)于這種強(qiáng)化換熱管的使用，不僅要考慮到其強(qiáng)化沸騰傳熱的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)也要考慮其較大的流動(dòng)壓降。

圖8　不同流速下?lián)Q熱管管外壓降對(duì)比

從計(jì)算結(jié)果中調(diào)出傳熱面上的熱流量，再根據(jù)壁溫和流體溫度計(jì)算得到兩種換熱管的管外側(cè)沸騰傳熱系數(shù)，將其繪于圖9中，圖中橫坐標(biāo)為流體流速，縱坐標(biāo)為傳熱系數(shù)。對(duì)比兩種換熱管的傳熱系數(shù)發(fā)現(xiàn)，T型翅片管管外沸騰傳熱系數(shù)在不同流速下均高于光滑管，平均高于光滑管20%左右。在低流速下強(qiáng)化沸騰傳熱效果更加明顯，1.2 m/s時(shí)達(dá)到23.2%；2.0 m/s時(shí)強(qiáng)化效果較差，也有18.7%。因此，機(jī)械加工表面T型翅片管對(duì)于管外沸騰強(qiáng)化傳熱效果明顯，而且在低流速下強(qiáng)化效果更好。

圖9　不同流速下?lián)Q熱管管外傳熱系數(shù)對(duì)比

2.3強(qiáng)化傳熱綜合性能評(píng)價(jià)

強(qiáng)化傳熱通過(guò)傳熱評(píng)價(jià)因子η來(lái)評(píng)估。當(dāng)η大于1時(shí)，表明在相同的換熱管輸送功率下，強(qiáng)化傳熱管傳遞的熱量大于基準(zhǔn)管。η值越大，傳熱管增強(qiáng)傳熱的能力越強(qiáng)。η計(jì)算式如下所示：

式中Nu——努賽爾數(shù)，無(wú)因次；

f——阻力因子，無(wú)因次；

下標(biāo)0——表示光滑管。

圖10　流速和η關(guān)系曲線

圖10為T型翅片管強(qiáng)化傳熱綜合性能評(píng)價(jià)因子η隨流速的變化情況，圖中的η都大于1，說(shuō)明T型翅片管有很好的強(qiáng)化傳熱效果。由圖10可見(jiàn)：η值隨流速的增大而減小，在低流速情況下η值較大，強(qiáng)化沸騰傳熱效果較好，而在高流速情況下η值相對(duì)更趨近于1，強(qiáng)化傳熱效果相對(duì)不明顯。這是由于在低流速時(shí)，翅片管生成汽泡較多，同時(shí)造成了相對(duì)比較強(qiáng)烈的擾動(dòng)；而在流速較高時(shí)，汽泡沒(méi)有低流速時(shí)產(chǎn)生量多，且流速較高時(shí)本身湍流程度會(huì)比較高，此時(shí)擾動(dòng)影響的比例就會(huì)比較小。

3　結(jié)論

（1）機(jī)械加工得到的管外凹坑可以產(chǎn)生大量的汽化核心，使得T型翅片管的汽泡生成和破滅頻率非常高，這一過(guò)程產(chǎn)生的擾動(dòng)破壞流體與管道壁面之間的邊界層，使傳熱得到強(qiáng)化。另一方面，T型翅片管也在很大程度上增加了換熱管的有效換熱面積，使得傳熱量增大，氣泡生成量增多。在本文研究范圍內(nèi)，流速為1.2 m/s時(shí)管外氣相為光滑管的3.7倍多，2.0 m/s時(shí)最大，達(dá)到4.5倍。

（2）對(duì)比T型翅片管與光滑管的管外沸騰傳熱系數(shù)發(fā)現(xiàn)，T型翅片管管外沸騰傳熱系數(shù)在不同流速下均高于光滑管，平均高出光滑管20%左右。在低流速下強(qiáng)化沸騰傳熱效果更加明顯，1.2 m/s時(shí)達(dá)到23.2%，2.0 m/s時(shí)強(qiáng)化效果較差，也有18.7%。

（3）在提高傳熱效率的同時(shí)，翅片結(jié)構(gòu)也相應(yīng)地引入了更大的流動(dòng)阻力，使管外流動(dòng)的進(jìn)出口壓降增大。但其強(qiáng)化傳熱綜合性能評(píng)價(jià)因子η在不同流速下均大于1，說(shuō)明T型翅片管有很好的強(qiáng)化傳熱效果。在低流速情況下，沸騰強(qiáng)化傳熱效果較好；在高流速情況下，強(qiáng)化效果相對(duì)不明顯。

［1］林宗虎.強(qiáng)化傳熱及工程應(yīng)用［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1987.

［2］朱冬生，錢頌文，馬小明，等.換熱器技術(shù)及發(fā)展［M］.北京：中國(guó)石化出版社，2008.

［3］Gottzmann C F，et al.High efficiency heat exchangers［J］.Chemical Eng Progress，1973，69（7）：69-75.

［4］李冀.多孔表面管在煉油裝置上的應(yīng)用［J］.石油煉制與化工，1999，30（11）：64-65.

［5］莊禮賢，崔乃英，阮志強(qiáng)，等.機(jī)械加工表面對(duì)空管的沸騰傳熱試驗(yàn)［J］.工程熱物理學(xué)報(bào)，1982，3（3）：242-248.

［6］梁龍虎.T型翅片管重沸器傳熱性能研究與工業(yè)應(yīng)用［J］.煉油設(shè)計(jì)，2001，31（4）：20-22.

Numerical Simulation on the Boiling Heat Transfer Performance of the GEWA-T

Qin ZhenLiu ChuangCao KaiMen QimingDu Kejiang

The Fluent software was induced to simulate the boiling heat transfer performance of the GEWA-T and the plain tube.The boiling heat transfer enhancement mechanism of the GEWA-T was illustrated in detail. During the simulation，the heat transfer coefficient of the GEWA-T was about 23.2%bigger than the plain tube，meanwhile，the performance of the heat transfer enhancement and larger pressure drop of GEWA-T was illustrated. The result showed that whatever the flow rate was，the comprehensive performance factor of the GEWA-T was always bigger than 1，which means that the GEWA-T has a better tube outside boiling heat transfer performance than the plain tube.

GEWA-T；Boiling；Heat transfer enhancement；Numerical simulation；Heat exchange tube；Flow rate；Pressure drop

TQ 051.5

10.16759/j.cnki.issn.1007-7251.2016.10.012

2015-10-28）

*秦政，男，1990年生，碩士研究生。上海市，201203。