變徑蛇形管換熱特性數(shù)值分析

鄭雅婷 陳忠海

(河北建筑工程學(xué)院 能源工程系，河北 張家口 075000)

1 引 言

隨著經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，大家逐漸對(duì)能源的短缺問題開始有所關(guān)注，因此對(duì)新能源的開發(fā)以及高效利用顯得尤為重要，這個(gè)問題也是目前急需要解決的，以便達(dá)到節(jié)約能源的效果.人們逐漸的對(duì)換熱效率的提高，以及通過使用新的技術(shù)增強(qiáng)換熱的問題進(jìn)行了大量的研究.針對(duì)于管徑的研究，大家研發(fā)了波紋管、螺紋管、翅片管、縮放管等來達(dá)到強(qiáng)化換熱的效果.蛇形換熱管作為一種換熱設(shè)備，相對(duì)來說已經(jīng)比較成熟了，并且加工較簡(jiǎn)單、容易清洗以及它的適應(yīng)性比較強(qiáng)，而且在粘度較高的流體換熱方面，適用性較高.

蛇形換熱管內(nèi)的流體在經(jīng)過蛇形管彎頭時(shí)，在管壁會(huì)形成漩渦，由于這些漩渦的存在，會(huì)使得流體的流動(dòng)相對(duì)來說會(huì)變得復(fù)雜.并且在蛇形管彎頭的后半段會(huì)形成二次環(huán)流，二次環(huán)流的形成會(huì)增強(qiáng)管內(nèi)流體與管壁的換熱，但是另一方面也會(huì)增加流動(dòng)阻力.普通蛇形管在彎頭處會(huì)增強(qiáng)換熱，但是直管段的換熱效率要低，因此，針對(duì)直管段的換熱速率低的問題對(duì)普通蛇形管進(jìn)行改造，使得在增強(qiáng)管內(nèi)流體的換熱的同時(shí)，使得它的阻力較低.突擴(kuò)管的拐角處會(huì)形成漩渦，然后再突縮管段得到利用，會(huì)對(duì)邊界層起到一個(gè)沖刷的作用，從而可以使換熱加強(qiáng).因此本文通過對(duì)普通蛇形管的直管段進(jìn)行改變，從而提高蛇形管整體的換熱效果.

2 數(shù)學(xué)模型

主要利用數(shù)值模擬方法對(duì)換熱特性進(jìn)行分析，使用Gambit建立三維模型、劃分網(wǎng)格、定義邊界層，然后將模型導(dǎo)入Fluent軟件進(jìn)行運(yùn)算求解，研究分析蛇形管的換熱特性.

2.1 變徑蛇形管幾何模型

為了能過更加清楚直觀的了解蛇形管內(nèi)部的換熱規(guī)律，建立了相應(yīng)的幾何模型，其模型見圖1，基本尺寸見表1：

圖1 變徑導(dǎo)熱油管模型圖

表1 6種模型的尺寸參數(shù)

2.2 數(shù)學(xué)模型

湍流模型目前使用最廣泛是κ﹣ε模型，有大量的工程應(yīng)用實(shí)踐表明，該模型可以應(yīng)用于計(jì)算復(fù)雜的湍流，該模型可以對(duì)平壁邊界層的流動(dòng)進(jìn)行較好的預(yù)測(cè)，比如它可以較好地預(yù)測(cè)平壁邊界層流動(dòng)，以及流體在管道內(nèi)、通道內(nèi)、噴管內(nèi)的流動(dòng)等.本文中導(dǎo)熱油管中的流體換熱采用RNG k-ε模型建立數(shù)學(xué)模型.

在數(shù)值計(jì)算中,湍流模型采用RNG k-ε湍流模型.使用SIMPLE[1]算法解決壓力與速度耦合問題.管內(nèi)流動(dòng)介質(zhì)為聯(lián)苯混合物導(dǎo)熱油,給定流體的進(jìn)口流速為0.5m/s，進(jìn)口溫度為20℃,管外壁取恒壁溫400℃.

2.3 強(qiáng)化傳熱技術(shù)的評(píng)價(jià)準(zhǔn)則

Bergles和Webb[2]對(duì)各種強(qiáng)化換熱的技術(shù)進(jìn)行過較詳細(xì)的講解，針對(duì)各種強(qiáng)化技術(shù)的特點(diǎn)和適用場(chǎng)合都進(jìn)行了詳細(xì)的說明.通過一些方法來提高系統(tǒng)的換熱能力和換熱效率從而達(dá)到強(qiáng)化換熱的目的，并且在此基礎(chǔ)上盡可能的減少功的消耗.對(duì)于多數(shù)的強(qiáng)化技術(shù)在增強(qiáng)設(shè)備的換熱能力基礎(chǔ)上，都會(huì)使流動(dòng)阻力有不同程度的增加，所以就會(huì)導(dǎo)致設(shè)備的綜合換熱能力有所減弱.所以，在考慮增強(qiáng)換熱效果的同時(shí)，也要對(duì)流體的阻力進(jìn)行研究，這樣才有對(duì)換熱技術(shù)的綜合的評(píng)價(jià)結(jié)果.目前公認(rèn)的評(píng)價(jià)指標(biāo)是PEC[3](績(jī)效評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)),可以理解為相同泵功下，強(qiáng)化管和普通管換熱效果的比較.當(dāng)PEC>1時(shí)，表明強(qiáng)化管的換熱性能要比普通蛇形管的強(qiáng).

PEC值的計(jì)算公式為：

式中，Nu表示變徑蛇形管的努塞爾數(shù)，Nu0表示普通蛇形管的努塞爾數(shù),f表示變徑蛇形管的阻力系數(shù)，而f0表示普通蛇形管的阻力系數(shù).

3 模擬結(jié)果

3.1 速度分析

取第一匝蛇形管直管段部分，分別取距離中心1.7mm、3.2mm、4.1mm直線，導(dǎo)入tecplot軟件分析在不同位置段流體速度的變化，結(jié)果如下圖2，最上邊的是距離中心為4.1mm處速度的變化，中間的是距離中心為3.2mm處速度的變化，最下邊是距離中心1.7mm處的速度變化.從圖中可以看出距離中心處越近速度相對(duì)越小，在接近管壁處由于管徑擴(kuò)縮周期性的變化，靠近管壁的速度要大一些.

圖2 不同位置處速度變化圖

3.2 換熱特性研究

通過對(duì)上述6種導(dǎo)熱油管進(jìn)行數(shù)值模擬，為了比較6種管型的平均努塞爾數(shù)、阻力系數(shù)以及綜合性能評(píng)價(jià)系數(shù)，采用對(duì)數(shù)平均溫差的方法進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，各參數(shù)定義如下：

(1)平均溫差△tm

tf=tw-Δtm

式中tout為導(dǎo)熱油出口溫度，tin為導(dǎo)熱油進(jìn)口溫度，tw為蛇形管壁面溫度.

(2)努塞爾數(shù)Nu

Nu=0.023Re0.8Pr0.4(μf/μw)0.14

式中μf為導(dǎo)熱油溫度為tf下的動(dòng)力粘度，μw為壁溫為tw下的動(dòng)力粘度.

(3)流動(dòng)阻力系數(shù)f

式中Δp為導(dǎo)熱油進(jìn)出口壓差，L為蛇形管長(zhǎng)度，ρf為導(dǎo)熱油溫度為tf下的密度.

為了分析上述6種模型管內(nèi)換熱及阻力情況,對(duì)6種蛇形管內(nèi)流體的努塞爾數(shù)、阻力以及PEC進(jìn)行了研究,并與普通蛇形管進(jìn)行對(duì)比.結(jié)果如表2，強(qiáng)化管的直管段改為縮放管周期性變化結(jié)構(gòu)對(duì)管內(nèi)流體流動(dòng)和傳熱的影響起了顯著強(qiáng)化作用,收縮段和擴(kuò)張段的周期性變化增強(qiáng)了管內(nèi)導(dǎo)熱油的湍流強(qiáng)度，使得管內(nèi)導(dǎo)熱油的流速增加，高速流體沖刷管壁面流體邊界層，達(dá)到強(qiáng)化傳熱效果.

表2 強(qiáng)化管綜合性能對(duì)比

通過對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，在相同邊界條件情況下,隨著槽深的增大,Nu增大，即管內(nèi)傳熱效果增強(qiáng),且均明顯高于普通蛇形管的Nu.然而,隨著槽深的增大，阻力系數(shù)也在增大，Nu的提高以消耗流體流動(dòng)阻力為代價(jià).通過采用綜合換熱性能進(jìn)行對(duì)比分析，發(fā)現(xiàn)編號(hào)3和編號(hào)5的管段PEC值均大于1，也就是說獲得的收益要比付出代價(jià)的大，說明使用該種蛇形管可以有效的增強(qiáng)換熱，并且最好的管徑是編號(hào)3的管.

3 結(jié) 論

通過把普通蛇形管的直管段改為縮放周期性變化的管徑，因?yàn)榻惶孀兓墓軓綄?duì)管內(nèi)流體的擾動(dòng)增大，從而會(huì)提高管內(nèi)流體的速度，從而可以增強(qiáng)管內(nèi)流體與管壁的換熱.

研究結(jié)果表明,隨著管徑的改變?cè)谠鰪?qiáng)換熱的同時(shí)，則增加了管內(nèi)導(dǎo)熱油的流動(dòng)阻力，在研究范圍內(nèi)，槽深的蛇形管要比槽淺的蛇形管換熱效果要好，是因?yàn)椴凵畹纳咝喂軐?duì)管內(nèi)的流體擾動(dòng)要更加強(qiáng)烈一些，普通蛇形管進(jìn)行改造后，使管內(nèi)流體產(chǎn)生渦流和二次流,促進(jìn)核心流體和邊界層流體的混合，強(qiáng)化了對(duì)流換熱；管內(nèi)流體的阻力降也顯著增加.在研究范圍內(nèi),槽深為1mm,收縮段為擴(kuò)張段的2倍時(shí)強(qiáng)化管綜合性能與普通蛇形管相比是最優(yōu)的.