翅片管內(nèi)嵌入螺旋線圈的強化傳熱分析

馮瀟峰 鄧子龍

摘 ?????要：以注汽鍋爐對流室的翅片管為研究對象，結(jié)合鍋爐的實際工況對光管和嵌入螺旋線圈后管道傳熱和流動進行分析，結(jié)果表明翅片管內(nèi)嵌入螺旋線圈后靠近管壁的流體呈現(xiàn)螺旋狀旋轉(zhuǎn)運動，嵌入螺旋線圈起到了強化傳熱的作用。接著分析螺旋線圈結(jié)構(gòu)參數(shù)對強化傳熱的影響，選擇四組螺距和直徑形成16組不同的螺旋線圈結(jié)構(gòu)參數(shù)并分別進行仿真;分析了螺旋線圈的螺距和直徑對努塞爾數(shù)、阻力系數(shù)、場協(xié)同角余弦值和PEC值的影響。結(jié)果表明：當(dāng)直徑相同時，努塞爾數(shù)隨著螺距的增大而減小，而在螺距相同時，努塞爾數(shù)隨著直徑的增大而增大。選擇適合的直徑和螺距可以有效提高PEC值。

關(guān) ?鍵 ?詞：翅片管;螺旋線圈;強化傳熱;努塞爾數(shù);PEC值

中圖分類號：TK 172 ?????文獻標(biāo)識碼： A ??????文章編號： 1671-0460（2019）04-0859-05

Abstract： The finned tube of the convection chamber of the steam injection boiler was taken as the research object， the heat transfer and flow of the smooth pipe and the spiral coil embedded pipeline were analyzed in combination with the actual working conditions of the boiler. The results showed that after the spiral coil was embedded in the finned tube， the fluid close to the tube wall exhibited a helical rotational motion， and the embedded helical coil acted to enhance heat transfer. Then the influence of the helical coil structure parameters on the heat transfer enhancement was analyzed. Four sets of pitches and diameters were selected to form 16 different spiral coil structural parameters， and they were simulated separately. The effect of pitch and diameter of the helical coil on the Nusselt number，drag coefficient， field co-angle cosine and PEC value was analyzed. The results showed that the Nusselt number decreased with the increase of the pitch when the diameter was the same， and the Nusselt number increased with the increase of the diameter when the pitch was the same. So choosing the right diameter and pitch can effectively increase the PEC value.

Key words： Finned tube; Spiral coil; Enhanced heat transfer; Nusselt number; PEC value

能源近年來已經(jīng)成為政治、經(jīng)濟、環(huán)保、國際環(huán)境等領(lǐng)域的核心問題，同時也直接影響到社會經(jīng)濟發(fā)展和人民生活水平提升[1]。石油是高需求量的能源之一，其開采量也在逐年增加，其中稠油的開采占有很高的比例，稠油開采主要有以下三種工藝：蒸汽吞吐工藝、蒸汽驅(qū)工藝、SAGD工藝。這些采油工藝都是注汽鍋爐產(chǎn)生高溫高壓的蒸汽注入井下為基礎(chǔ)，因此在稠油開采時注汽鍋爐是不可或缺的設(shè)備[2]。提高注汽鍋爐的傳熱效率對于節(jié)約能源、減少開采成本具有重要意義。

強化傳熱技術(shù)是一種顯著提高設(shè)備傳熱效率的技術(shù)。強化傳熱一般可分為有功法和無功法。有功法需要借助外部動力，主要有機械攪動、表面振動、流體振動、電磁場、流體注入法或抽吸法。無功法無需借助外部動力，主要有處理表面，擴展表面，表面張力裝置，射流沖擊、添加物，管內(nèi)插入擾流元件[3]。管內(nèi)插入擾流元件是一種非常便利實用的強化傳熱措施，它不僅制造安裝簡單，同時又具有清除管內(nèi)污垢的作用，更有助于對舊設(shè)備的改良。管內(nèi)擾流元件包括螺旋線圈、螺旋翅片、紐帶、繞花絲、靜態(tài)混合器等。其中螺旋線圈因具有低廉的成本，方便拆裝維修等諸多優(yōu)點而被廣泛應(yīng)用。

螺旋線圈強化傳熱吸引了中外學(xué)者的關(guān)注。L.Zhang等[4]研究了套管式換熱器中螺旋線圈能夠提高Nu數(shù)，減小流體流動阻力;S.K.Saha等[5]在換熱管內(nèi)部添加螺旋線圈，發(fā)現(xiàn)在層流狀態(tài)下可以改善傳熱性能;韓繼廣等[6]以實驗的方式對比了五組參數(shù)不同的紐帶和一組螺旋線圈，研究表明管內(nèi)插入擾流元件在顯著增加管中空氣的傳熱系數(shù)也導(dǎo)致流動阻力增加。近年來，隨著計算機硬件和CFD軟件技術(shù)不斷進步和完善，人們對于流體流動和傳熱的研究不再局限于實驗，利用CFD軟件仿真逐漸成為一種新的研究手段，然而國內(nèi)對管內(nèi)嵌入螺旋線圈的仿真較少，徐志明等[7]以黏性流體變壓器油為管內(nèi)工質(zhì)，得到管內(nèi)嵌入螺旋線圈后工質(zhì)的湍流度增強的結(jié)論。本論文選取了注汽鍋爐對流段翅片管為研究對象，以ANSYS FLUENT軟件為研究手段，并結(jié)合注汽鍋爐的實際工況對其嵌入螺旋線圈后流動和傳熱進行分析，為注汽鍋爐對流段的強化傳熱奠定基礎(chǔ)。

1.2 ?物理模型

如圖1所示本文以選取管長500 mm、內(nèi)徑63 mm、壁厚26 mm，翅片高度為19 mm的翅片管，管內(nèi)嵌入緊貼管壁的螺旋線圈，管內(nèi)流動介質(zhì)為水，翅片管水平放置，水從管左側(cè)入口依靠外力流入管內(nèi)，在管內(nèi)流動過程中在受到螺旋線圈的擾流作用，最后從管右側(cè)出口流出。圖2為螺旋線圈的結(jié)構(gòu)示意圖，螺旋線圈的結(jié)構(gòu)參數(shù)為節(jié)距p和線圈直徑d，分別選取了4種不同螺距（P=40、50、60、70 mm）和直徑（d=8、10、12、14 mm）組成16組不同的結(jié)構(gòu)參數(shù)。

1.3 ?網(wǎng)格劃分和邊界條件

由于管內(nèi)結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，采用了非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格進行劃分，并對靠近壁面一側(cè)的流體和邊界層加密以保證結(jié)果的準(zhǔn)確性，水以一定速度流入管道，因此進口邊界條件設(shè)置為速度進口，速度設(shè)為0.24 m/s，而水在另一側(cè)流出，出口設(shè)置為壓力出口，出口壓力為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，即0 MPa，翅片管外壁設(shè)置為恒壁溫邊界條件，管外壁溫度為79 ℃，水與接觸的各壁面設(shè)為流固耦合，速度與壓力耦合采用simple算法（圖3）。

2 ?仿真結(jié)果分析

2.1 光管和嵌入螺旋線圈后管道的流動與傳熱分析

圖4為光管的速度矢量圖，圖5、6為嵌入螺旋線圈后管道內(nèi)流體的速度矢量圖。由圖4可知：光管的最大流速為0.267 4 m/s;由圖5可知：嵌入螺旋線圈后最大速度增加到0.391 7 m/s，嵌入螺旋線圈后水的流速增加，且集中在管內(nèi)中心區(qū)域，這是由于嵌入螺旋線圈后管的當(dāng)量直徑要比光管的內(nèi)徑更小，也就是水的流通面積會減小，在相同的質(zhì)量流量下水的流速增加;同時由圖6可知：水流動時在螺旋線圈的擾動下，不僅有和光管一樣的軸向運動，靠近管壁部分的水還呈現(xiàn)出螺旋狀旋轉(zhuǎn)運動，這樣由切向加速度產(chǎn)生的離心力也會隨之增大，水的軸向和徑向交叉流動形成二次流，促使管內(nèi)中心區(qū)域密度較大的溫度較低的水向壁面流動，與靠近區(qū)域密度較大的溫度較低的水向壁面流動，與靠近壁面附近密度較小溫度較高的水混合，如此往復(fù)減薄了靠近壁面的邊界層，增加了流體的傳熱效率，從而使管內(nèi)單相流傳熱得到強化。

圖7為光管的出口溫度云圖，由圖7可知：光管出口平均溫度為95 ℃;圖8為嵌入螺旋線圈后出口的溫度云圖，由圖8可知：其出口平均溫度為151 ℃，對比可知嵌入螺旋線圈后，出口的平均溫度增加了56 ℃，表明嵌入螺旋線圈可以強化管內(nèi)傳熱。

2.2 ?傳熱性能與流動阻力分析

圖9是結(jié)構(gòu)參數(shù)變化對努賽爾數(shù)的影響。由圖9表明：當(dāng)直徑相同時，努塞爾數(shù)隨著螺距增大而減小，螺距為70 mm時努塞爾數(shù)最小，表明螺距增加會使傳熱性能減弱。產(chǎn)生這種趨勢的原因是當(dāng)螺距增大時，螺旋線圈的擾流效果會減弱，冷熱流體交互更弱。直徑越小，努塞爾數(shù)的變化隨著螺距的變化越慢，即直徑越小，螺距對傳熱性能的影響越小。而在螺距為40 mm，直徑為8、10 mm時努塞爾數(shù)反而更小，表明直徑較小且螺距也較小時，會出現(xiàn)努塞爾數(shù)隨著螺距增大而增大的情況。

當(dāng)螺距數(shù)值相同時，努塞爾數(shù)隨著直徑增大不斷增大，當(dāng)直徑為14 mm時努塞爾數(shù)最大，直徑為8 mm時努塞爾數(shù)最小，即直徑增加會使傳熱性能增強，這是由于螺旋線圈直徑增大后，對管內(nèi)水的擾動更加劇烈。且螺距越小，努賽爾數(shù)隨直徑增加速率越來越快。即螺距數(shù)值較小時，直徑數(shù)值的變化對傳熱效果的影響會更大。

圖10是結(jié)構(gòu)參數(shù)變化對阻力系數(shù)的影響。由圖10表明：當(dāng)直徑相同時，阻力系數(shù)隨著螺距增大而減小，且直徑較大時阻力系數(shù)隨螺距變化程度更快，產(chǎn)生這種情況是由于螺旋線圈螺距增加后，相同單位時間內(nèi)水與螺旋線圈接觸頻率減小，在流動過程中受到的阻力作用變小，導(dǎo)致阻力系數(shù)減小。

但直徑為8 mm時阻力系數(shù)在40 mm至60 mm時，阻力系數(shù)反而不斷增加，表明當(dāng)直徑和螺距都較小時，阻力系數(shù)隨著螺距的增大而增大。當(dāng)螺距相同時，阻力系數(shù)隨著直徑的增大而增大，且螺距越小時，隨著直徑增加阻力系數(shù)變化越快。螺旋線圈直徑增加后，水與螺旋線圈的碰撞面積增加，水受到的阻力增加，導(dǎo)致阻力系數(shù)增加。

2.3 ?場協(xié)同分析

圖11是結(jié)構(gòu)參數(shù)變化對場協(xié)同角余弦值的影響。當(dāng)速度矢量與溫度梯度矢量夾角的余弦值越大，二者協(xié)同性能越好，流體與壁面之間的傳熱性能更好。由圖11表明：當(dāng)直徑相同時，場協(xié)同角余弦角隨著螺距增加而減小，即螺距的增加使場協(xié)同性能呈緩慢下降趨勢，傳熱性能遭到削弱，當(dāng)螺距相同時，場協(xié)同角余弦值隨著直徑增大而增大，即直徑的增加使場協(xié)同性能小幅提升，傳熱性能得到加強，這與2.3分析螺距和直徑對傳熱性能影響得到的結(jié)論是一致的。

圖11 ?場協(xié)同角余弦值隨結(jié)構(gòu)參數(shù)變化圖

Fig.11 Field coordination angle cosine value change with structural parameter

2.4 ?綜合傳熱性能分析

由上面的分析可知：當(dāng)螺旋線圈結(jié)構(gòu)參數(shù)變化，傳熱性能和阻力系數(shù)都會隨之發(fā)生變化，在實際生產(chǎn)中流動阻力的提升必然會帶來泵功率的損失，所以強化傳熱不能一味考慮傳熱性能的增強，還要考慮阻力帶來的影響，因此采用PEC值（Nu/Nu0）/（f/f0）1/3 ?來判定綜合傳熱性能，PEC值越大表明綜合傳熱性能越好，當(dāng)該值大于1時，綜合傳熱性能較好。

圖12是結(jié)構(gòu)參數(shù)對綜合性能系數(shù)的影響，在本文涉及的結(jié)構(gòu)參數(shù)范圍內(nèi)，當(dāng)直徑相同時，PEC值隨螺距的增加而增加，當(dāng)螺距相同時，PEC值隨直徑的增加而減小，在直徑小于12 mm;節(jié)距大于60 mm時，PEC值大于1，表明當(dāng)節(jié)距較大同時直徑又較小時，PEC值比較理想，翅片管嵌入螺旋線圈后的綜合傳熱性能得到很大改善，即傳熱效果提升的價值要大于流動阻力增加帶來的損失;在直徑較大時，隨著螺距增加PEC值變化程度變得愈加緩慢，當(dāng)螺距較大時，隨著直徑增大PEC值變化程度也會減弱，所以想要改善翅片管的綜合傳熱性能，選取合適的螺距和直徑就顯得尤為重要。