纏繞螺紋管螺旋折流板換熱器流動與傳熱數(shù)值分析

王永慶， 王芳芳， 古 新， 王 丹， 熊曉朝

(鄭州大學(xué) 河南省過程傳熱與節(jié)能重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河南 鄭州 450001)

0 引言

螺旋折流板換熱器相對于傳統(tǒng)折流板換熱器具有流阻較小、傳熱死區(qū)較少和不易結(jié)垢等優(yōu)勢，受到廣泛的關(guān)注[1-2].但對螺旋折流板換熱器的研究大多集中在螺旋角的優(yōu)化[3]和改變螺旋折流板的形狀及搭接方式上[4]，并未對換熱管的結(jié)構(gòu)做過多研究.換熱管由光管替換為結(jié)構(gòu)相對緊湊的強(qiáng)化管可增強(qiáng)換熱性能[5].雷雪等[6]采用數(shù)值模擬的方法驗(yàn)證了內(nèi)螺紋波節(jié)管努塞爾數(shù)Nu較普通波節(jié)管增大了約10%.Balcilar等[7]也采用數(shù)值模擬的方法對波節(jié)管傳熱特性進(jìn)行了研究，證明了波節(jié)管傳熱的優(yōu)越性.田莉勤等[8]通過試驗(yàn)的方法研究對比了外螺紋管和光管的傳熱，表明外螺紋管傳熱系數(shù)是光管的1.05～1.09倍.盧冬梅[9]采用試驗(yàn)的方法得出內(nèi)波紋多換熱管可以有效強(qiáng)化管內(nèi)外的傳熱并節(jié)能.秦富友等[10]采用實(shí)驗(yàn)的方法得出相同尺寸下外螺紋管換熱器總傳熱系數(shù)比光管換熱器提高10%～17%.

筆者采用數(shù)值模擬的方法對新型纏繞螺紋管螺旋折流板換熱器[11]進(jìn)行研究：在其他換熱條件相同時(shí)，將傳統(tǒng)光管螺旋折流板換熱器中光管換為纏繞螺紋管，使用CFD軟件FLUENT對纏繞螺紋管螺旋折流板換熱器和光管螺旋折流板換熱器殼程流場、溫度場、傳熱系數(shù)、壓降和綜合性能進(jìn)行研究，并對兩種換熱器進(jìn)行場協(xié)同分析.

1 纏繞螺紋管螺旋折流板換熱器結(jié)構(gòu)模型

傳統(tǒng)的螺旋折流板換熱器殼程支撐結(jié)構(gòu)為螺旋折流板支撐，換熱管為光管.而纏繞螺紋管螺旋折流板換熱器除支撐結(jié)構(gòu)為螺旋折流板外，每根換熱管上還以螺旋形式纏繞矩形帶，此舉可以增加流體螺旋沖刷管束的程度，提高流體流動的擾動程度，減少換熱器內(nèi)部污垢沉積.纏繞螺紋管螺距為129 mm，矩形纏繞螺紋帶寬度厚度均為2 mm，換熱管上纏繞帶螺旋曲線切線與換熱管橫截面間的夾角為59°，結(jié)構(gòu)如圖1所示.

圖1 纏繞螺紋管螺旋折流板換熱器結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Structure diagram of winding threaded pipe helical baffle heat exchanger

2 計(jì)算模型與數(shù)值方法

2.1 計(jì)算模型

分別建立螺旋折流板螺旋角為10°、15°、20°時(shí)的光管螺旋折流板和纏繞螺紋管螺旋折流板換熱器模型.換熱器具體結(jié)構(gòu)尺寸為：筒體內(nèi)徑233 mm，換熱管長度685 mm,換熱管直徑25 mm,管孔距離32 mm,換熱管數(shù)量37根，螺旋折流板厚度為4 mm，計(jì)算模型螺旋角分別為10°、15°、20°，相對應(yīng)螺距為129、196、266 mm.換熱管為三角形布管.整體計(jì)算區(qū)域模型如圖2所示.

圖2 計(jì)算區(qū)域模型Fig.2 Schematic diagram of calculation

2.2 網(wǎng)格劃分及獨(dú)立性考核

螺旋折流板換熱器內(nèi)部螺旋纏繞結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，所以使用正四面體與金字塔形的非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格進(jìn)行網(wǎng)格劃分，并進(jìn)行網(wǎng)格獨(dú)立性驗(yàn)證，最終模型網(wǎng)格數(shù)量在350×104～380×104，此時(shí)換熱器殼程換熱系數(shù)和壓降偏差均小于2%.

2.3 邊界條件及參數(shù)選擇

殼程介質(zhì)為常物性的液態(tài)水，邊界條件設(shè)置為質(zhì)量流量進(jìn)口，壓力出口.進(jìn)口溫度為20 ℃，管壁溫度設(shè)置為75 ℃恒壁溫，湍流計(jì)算采用RNGk-ε模型方程；壓力和速度采用SIMPLE算法.

2.4 模擬方法驗(yàn)證

采用本文中的研究方法對文獻(xiàn)[12]中螺旋角為8°的光管螺旋折流板換熱器進(jìn)行數(shù)值計(jì)算.數(shù)值計(jì)算結(jié)果同實(shí)驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)對比如圖3所示，殼程傳熱系數(shù)最大偏差為20.5%，壓降最大偏差為24.69%，偏差在合理范圍內(nèi)，證明了本文數(shù)值計(jì)算方法的可行性.

圖3 數(shù)值計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)對比Fig.3 Comparison between simulation values and experimental values

存在偏差的主要原因如下：一是實(shí)驗(yàn)中不可避免的測量偏差；二是在模擬計(jì)算時(shí)對模型進(jìn)行了適當(dāng)?shù)暮喕?

3 計(jì)算結(jié)果分析

3.1 殼程流場和溫度場分析

圖4為換熱器螺旋角為10°時(shí)的光管螺旋折流板換熱器和纏繞螺紋管螺旋折流板換熱器殼程整體流線圖，由圖4(a)、(b)可知，光管螺旋折流板換熱器殼程流體基本處于螺旋狀流動，螺旋狀流線分布較為均勻與連續(xù).由圖4(c)、(d)可以看出，纏繞螺紋管螺旋折流板換熱器殼程流體除呈現(xiàn)螺旋流動狀態(tài)外，還有部分流體呈現(xiàn)渦流、局部還摻雜斜向流動及部分流體呈現(xiàn)小波浪狀流動.這是因?yàn)閾Q熱管矩形纏繞帶的凸起擾亂了過渡區(qū)穩(wěn)定的層流狀態(tài)，形成了縱向的渦流，引起邊界層中流體介質(zhì)的擾動，變成紊亂的湍流狀態(tài)，使熱阻變小，提高了傳熱速率，起到了強(qiáng)化傳熱的作用.

圖5為殼程Re為4 000，折流板螺旋角為10°時(shí)的光管螺旋折流板換熱器和纏繞螺紋管螺旋折流板換熱器殼程截面溫度分布云圖.從圖5可以看出，在折流板前后端面，光管螺旋折流板換熱器殼程溫度分布存在不連續(xù)性，有較為明顯的溫度差.纏繞螺紋管螺旋折流板換熱器溫度分布相較于光管螺旋折流板換熱器更加均勻.

3.2 殼程壓降分析

兩種換熱器殼程壓降隨Re的變化關(guān)系如圖6所示.由圖6可知，兩種結(jié)構(gòu)換熱器的殼程壓降均隨Re的增大而增大.在相同Re、螺旋角相同時(shí)，纏繞螺紋管螺旋折流板換熱器的壓降大于光管螺旋折流板換熱器，因?yàn)槔p繞螺紋管螺旋折流板換熱器相較于光管螺旋折流板換熱器，每根換熱管上均纏繞了矩形纏繞帶，形態(tài)阻力較大.在相同Re下，兩種換熱器的壓降均隨螺旋角的增加而降低，這是因?yàn)殡S著螺旋角增大，螺距增大，形態(tài)阻力降低.

圖4 殼程流體流動流線圖(β=10°)Fig.4 Streamlines distribution of shell side(β=10°)

圖5 殼程溫度分布圖Fig.5 Tempetature distribution of section in Shell-side

圖6 殼程壓降隨殼程Re的變化Fig.6 Curves of pressure drop and Reynolds number in Shell-side

3.3 殼程傳熱系數(shù)分析

圖7為光管螺旋折流板換熱器和纏繞螺紋管螺旋折流板換熱器殼程傳熱系數(shù)隨Re的變化曲線.由圖7可以看出，兩種不同結(jié)構(gòu)換熱器的傳熱系數(shù)均隨Re的增大而增大，與光管螺旋折流板換熱器相比，纏繞螺紋管螺旋折流板換熱器殼程傳熱系數(shù)升高.

圖7 殼程傳熱系數(shù)隨殼程Re的變化Fig.7 Curves of heat transfer coefficient and Reynolds number in Shell-side

在相同Re下，兩種換熱器的傳熱系數(shù)均隨折流板螺旋角的增大而降低，這是因?yàn)椋涸谙嗤牧髁肯?，隨著螺旋角的增大，殼程流體流速降低，不利于換熱；螺旋角較小時(shí)，流體螺旋狀翻滾能力增強(qiáng)，湍流強(qiáng)度增大，可有效增強(qiáng)換熱性能.

3.4 換熱器綜合性能分析

圖8 綜合性能隨殼程Re的變化Fig.8 Curves of comprehensive performance and Reynolds number in Shell-side

折流板換熱器相比，纏繞螺紋管螺旋折流板換熱器殼程綜合性能提高4.5%～14.5%.

具體原因分析如下：纏繞螺紋管螺旋折流板換熱器每根換熱管上均纏繞了矩形纏繞帶，增加流體螺旋沖刷管束的程度，減少換熱器內(nèi)部污垢沉積，充分利用換熱面積，從而有效地改善換熱器性能.

3.5 場協(xié)同分析

1988年過增元等提出了“場協(xié)同”原理[13]，即對流換熱取決于流體的溫度場和速度場的協(xié)同程度，證明了溫度場和速度場的夾角越小，換熱效果越優(yōu).計(jì)算公式為：

(1)

圖9 進(jìn)出口平均協(xié)同角隨殼程Re的變化Fig.9 Import and export average field synergy angle and Reynolds number in Shell-side

4 結(jié)論

通過對纏繞螺紋管螺旋折流板換熱器和光管螺旋折流板換熱器進(jìn)行數(shù)值研究，并對結(jié)果進(jìn)行對比分析可知：

(1)纏繞螺紋管螺旋折流板換熱器的換熱管螺旋狀凸起擾亂了過渡區(qū)穩(wěn)定的層流狀態(tài)，出現(xiàn)徑向渦流，增強(qiáng)了湍流程度，熱阻變小，提高了傳熱速率，起到了強(qiáng)化傳熱的作用.

(2)螺旋角在10°～20°、殼程Re在2 000～6 000條件下，纏繞螺紋管螺旋折流板換熱器傳熱系數(shù)較光管螺旋折流板換熱器提升4.27%～23.39%，綜合性能提升4.5%～14.5%.

(3)與光管螺旋折流板換熱器相比，纏繞螺紋管螺旋折流板換熱器殼程溫度場分布較均勻.光管螺旋折流板換熱器殼程流線整體呈現(xiàn)規(guī)律穩(wěn)定的螺旋狀，纏繞螺紋管螺旋折流板換熱器流線較為復(fù)雜，局部區(qū)域摻雜斜向流動及部分流體呈現(xiàn)小波浪狀流動.

(4)纏繞螺紋管螺旋折流板換熱器相比于傳統(tǒng)光管螺旋折流板換熱器能夠較好地優(yōu)化殼程流體速度和溫度的協(xié)同性，進(jìn)而強(qiáng)化傳熱.