開(kāi)齒數(shù)對(duì)內(nèi)置齒狀螺旋元件換熱管傳熱性能的影響

摘" " " 要： 在傳統(tǒng)管內(nèi)螺旋強(qiáng)化傳熱元件基礎(chǔ)上提出一種新型內(nèi)置齒狀螺旋元件換熱管，應(yīng)用Fluent軟件在低雷諾數(shù)下對(duì)換熱管內(nèi)的單液相中流速場(chǎng)和溫度場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬，并探討了不同齒數(shù)對(duì)換熱管傳熱性能的影響。結(jié)果表明：在開(kāi)齒數(shù)C分別為2、3、4和5的齒狀螺旋換熱管中，在Re=800時(shí)C=3齒狀螺旋元件換熱管的PEC最大（1.420），優(yōu)于傳統(tǒng)傳熱元件以及其他3種齒數(shù)的換熱管。

關(guān)" 鍵" 詞：數(shù)值模擬；開(kāi)齒數(shù)；傳熱性能；PEC值

中圖分類(lèi)號(hào)：TQ021.3文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " "文章編號(hào)：1004-0935（2025）01-0097-04

換熱管由于具有結(jié)構(gòu)可靠、技術(shù)成熟、設(shè)計(jì)與制造相對(duì)簡(jiǎn)單、生產(chǎn)成本低、能承受高溫高壓、選材范圍廣、適應(yīng)性強(qiáng)、處理清洗方便等優(yōu)點(diǎn)被應(yīng)用在能源、動(dòng)力、核能、石油、冶金、制冷、化工等工程領(lǐng)域[1]。陸寒冰[2]用激光多普勒測(cè)速儀實(shí)驗(yàn)測(cè)定與數(shù)值仿真模擬2種手段得到了立交盤(pán)式靜態(tài)混合器內(nèi)的速度分布，測(cè)定流體由層流工況到湍流工況轉(zhuǎn)變的雷諾數(shù)臨界區(qū)間是50≤Re≤500。經(jīng)過(guò)對(duì)比研究，結(jié)果表明換熱系數(shù)及場(chǎng)協(xié)同數(shù)為光管的4倍和2～6倍。睢輝等[3]在低雷諾數(shù)下模擬了水在內(nèi)置不同寬度與螺距的螺旋片換熱管內(nèi)的流動(dòng)與傳熱特性，研究結(jié)果表明，在螺旋片的長(zhǎng)度與寬度都較小時(shí)，換熱管近壁面區(qū)域流體可生成的橫向二次流對(duì)破壞邊界層的成形有著重要的作用；對(duì)螺旋片的長(zhǎng)度加長(zhǎng)或是降低螺旋片的寬度均可提升換熱管的傳熱效率。KONOPACKI等[4]分析了一種新型靜態(tài)混合片的換熱效率，并對(duì)其流動(dòng)、溫度與換熱性能等方面進(jìn)行探究，得到了強(qiáng)化傳熱的具體效果。喻九陽(yáng)等[5]采用標(biāo)準(zhǔn)雙方程湍流模型，得到混合器內(nèi)流場(chǎng)變化和壓降情況，并繪制出了不同速度下的壓降變化曲線(xiàn)。

對(duì)前人研究成果探究可知，在換熱管內(nèi)部插入擾流元件可以有效地對(duì)管壁處的熱邊界層造成破壞，提升管壁區(qū)域的換熱效率，增大管內(nèi)流體的平均溫度，所以對(duì)新型擾流元件的研究和開(kāi)發(fā)具有非常廣闊的前景[6-9]。在SK型靜態(tài)混合元件的基礎(chǔ)上進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化和改進(jìn)，提出了一種新型管內(nèi)強(qiáng)化傳熱元件，通過(guò)數(shù)值模擬的方法，改變開(kāi)齒數(shù)，提出傳熱性能的評(píng)價(jià)方法，并對(duì)該換熱管傳熱性能的影響進(jìn)行研究。

1" 物理模型及研究方法

1.1" 內(nèi)置齒狀螺旋元件換熱管幾何結(jié)構(gòu)

設(shè)計(jì)的內(nèi)置齒狀螺旋元件換熱管組成元件為一根主管及4個(gè)混合元件，內(nèi)置齒狀螺旋元件換熱管結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

在換熱管內(nèi)布置元件從兩相入口方向開(kāi)始按順序排列為第1、2、3、4元件，4個(gè)扭轉(zhuǎn)片經(jīng)過(guò)扭轉(zhuǎn)后并開(kāi)齒，最終組成混合元件，齒狀螺旋元件的幾何模型如圖2所示。每個(gè)扭轉(zhuǎn)元件長(zhǎng)度為L(zhǎng)，寬徑比為2L/D，內(nèi)置齒狀螺旋元件換熱管的幾何尺寸如表1所示。

1.2" 模擬方案

研究中設(shè)計(jì)的物理模型采用Solidworks建立，數(shù)值模擬主要通過(guò)Fluent軟件進(jìn)行。換熱管內(nèi)流質(zhì)為液態(tài)水。

流體流動(dòng)狀態(tài)的封閉控制方程包括連續(xù)性方程、動(dòng)量方程與能量方程。雷諾數(shù)指入口處流體平均流速下雷諾數(shù)，表達(dá)式如下：

Re=ρvD/μ（1）

式中：v—流體的進(jìn)口平均速度；

D—換熱管內(nèi)徑；

μ—流體的動(dòng)力黏度。

1.3" 綜合性能指數(shù)PEC

管內(nèi)插入擾流元件可以有效提高管道的換熱性能，但同時(shí)也增加了流體流經(jīng)管道時(shí)的阻力，若只追求換熱效果的提升而忽視阻力的增加，那么系統(tǒng)功耗會(huì)大大增加，所以在實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)綜合分析二者的相對(duì)大小。綜合傳熱性能評(píng)價(jià)因子同時(shí)考慮了Nu和阻力系數(shù)f的影響，可以有效地評(píng)價(jià)管道的換熱性能，其具體表達(dá)式為：

（2）

式中：Nu、f—帶有插入元件管道的努塞爾數(shù)和阻力系數(shù)；

Nu0、f0—空管的努塞爾數(shù)與阻力系數(shù)[10]。

努塞爾數(shù)Nu計(jì)算式如下：

（3）

式中：λ—換熱管內(nèi)流體的導(dǎo)熱系數(shù)，W·m-1·K-1；

h—管壁面對(duì)流換熱系數(shù)，W·m-2·K-1；

D—換熱管內(nèi)徑。

換熱管內(nèi)對(duì)流傳熱系數(shù)計(jì)算式如下：

（4）

式中：Q—總換熱量；

S—總換熱面積；

?t—恒壁溫工況下管內(nèi)對(duì)流傳熱溫度差。

?t在恒壁溫條件下采用對(duì)數(shù)平均溫差，表達(dá)式如下：

（5）

式中：Tout—換熱管出口處流體平均溫度；

Tin—換熱管入口處流體平均溫度；

Tw—換熱管的壁面溫度。

分別將上式的h代入到公式（3）中得到努塞爾數(shù)Nu。摩擦阻力系數(shù)f的計(jì)算式如下：

（6）

式中：?p—換熱管內(nèi)進(jìn)出口流體的壓力差；

ρ—管內(nèi)流體的密度；

u ?—管內(nèi)流體的平均速度；

L—換熱管管長(zhǎng)。

從PEC的表達(dá)式中可以看出，換熱管努塞爾數(shù)Nu增長(zhǎng)的幅度大于管內(nèi)摩擦阻力增長(zhǎng)的幅度，換熱管就被認(rèn)為達(dá)到了強(qiáng)化換熱的效果。需要注意的是，當(dāng)綜合性能評(píng)價(jià)因子PEC在1以上時(shí)，所采取的強(qiáng)化傳熱手段才具有實(shí)施意義，并且PEC值越大表明強(qiáng)化傳熱的效果越好，越具有在工程上的實(shí)用價(jià)值。如果PEC值等于1時(shí)，則表明采用強(qiáng)化傳熱技術(shù)的換熱管與普通的換熱管的換熱效果等同；而當(dāng)PEC值小于1時(shí)，則表明研究中所采用的強(qiáng)化傳熱技術(shù)換熱管的強(qiáng)化換熱效果要低于普通換熱管，此時(shí)建議使用普通換熱管。

1.4" 網(wǎng)格無(wú)關(guān)性檢驗(yàn)

模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性與網(wǎng)格的數(shù)量、質(zhì)量緊密相關(guān)，因此必須進(jìn)行網(wǎng)格無(wú)關(guān)性驗(yàn)證。通過(guò)調(diào)整網(wǎng)格的數(shù)量與大小，在雷諾數(shù)Re=800下對(duì)內(nèi)置齒狀螺旋元件換熱管進(jìn)行模擬，計(jì)算其努塞爾數(shù)，結(jié)果如圖3所示。

由圖3可以看出，當(dāng)網(wǎng)格數(shù)量在低雷諾數(shù)達(dá)到220萬(wàn)左右時(shí)，努賽爾數(shù)Nu的變化上下差值在0.01以?xún)?nèi)，所以為保障數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性，綜合考慮計(jì)算耗時(shí)與節(jié)約運(yùn)算資源，選取220萬(wàn)網(wǎng)格數(shù)量進(jìn)行模擬。

2" 傳熱性能

2.1" 速度場(chǎng)與溫度場(chǎng)

探討了SK型換熱管和開(kāi)齒數(shù)C為1、2、3、4的內(nèi)置齒狀螺旋元件換熱管。探究了雷諾數(shù)Re=800時(shí)SK型換熱管、不同開(kāi)齒數(shù)內(nèi)置齒狀螺旋元件換熱管在第4個(gè)元件出口截面處的軸向截面速度分布，結(jié)果如圖4所示。之后，分析了Re=800時(shí)SK型換熱管和不同開(kāi)齒數(shù)內(nèi)置齒狀螺旋元件換熱管在元件末端截面處速度分布和溫度分布，結(jié)果如圖5、圖6所示。

由圖4可以看出，管內(nèi)流體由螺旋方向的引導(dǎo)，沿著螺旋的旋轉(zhuǎn)方向做整體多股流螺旋運(yùn)動(dòng)，當(dāng)流體經(jīng)過(guò)管壁時(shí)，形成漩渦使得內(nèi)置齒狀螺旋元件換熱管截面內(nèi)速度比SK型換熱管更為均勻，管壁處高速區(qū)范圍比SK型換熱管更大，邊界層更薄。隨著傳熱元件開(kāi)齒數(shù)的增多，內(nèi)置齒狀螺旋元件換熱管的截面內(nèi)速度變化不明顯，開(kāi)齒數(shù)的變化影響不明顯。

由圖5可以看出，該換熱管與SK型換熱管相比，高流速區(qū)更靠近管壁，在近壁處速度邊界層相對(duì)薄。隨著開(kāi)齒數(shù)的變化，速度云圖有變化但變化不明顯。

由圖6可以看出，內(nèi)置齒狀螺旋元件換熱管的溫度分布較SK型換熱管更加均勻，管內(nèi)流體與管壁的溫度梯度更小。這是因?yàn)榱黧w受到元件結(jié)構(gòu)的作用打破了影響熱量傳遞的溫度分層，讓流體可以更加高效地吸收來(lái)源于換熱管壁面的熱量，達(dá)到減小換熱管內(nèi)溫度梯度、提升溫度均勻性的目的。開(kāi)齒數(shù)為3時(shí)云圖溫度更加均勻。

2.2" 換熱努塞爾數(shù)Nu

為了探究新型內(nèi)置齒狀螺旋元件換熱管不同開(kāi)開(kāi)齒數(shù)條件下的強(qiáng)化換熱效果，對(duì)其努賽爾數(shù)進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，并與SK型換熱管的努塞爾數(shù)進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果如圖7所示。

由圖7可以看出，內(nèi)置齒狀螺旋元件換熱管比SK型換熱管Nu要高，內(nèi)置齒狀螺旋元件換熱管在不同開(kāi)齒數(shù)條件下努塞爾數(shù)Nu差別不大。SK型換熱管努塞爾數(shù)為25.60173，開(kāi)齒數(shù)為2時(shí)努塞爾數(shù)為35.47762，開(kāi)齒數(shù)為4時(shí)努塞爾數(shù)為35.910 00，計(jì)算可知，內(nèi)置齒狀螺旋元件換熱管Nu數(shù)為SK型換熱管的1.39～1.40倍，說(shuō)明內(nèi)置齒狀螺旋元件換熱管比SK型換熱管換熱效果更好。隨著開(kāi)齒數(shù)C的變大，圖中曲線(xiàn)趨于平緩，說(shuō)明開(kāi)齒數(shù)變化的影響小。

2.3" 阻力系數(shù)f

關(guān)于不同條件下?lián)Q熱管內(nèi)流體的流動(dòng)阻力特性，可依據(jù)模擬運(yùn)算中管內(nèi)進(jìn)出口壓力降進(jìn)一步計(jì)算得到，結(jié)果如圖8所示。

由圖8可以看出，SK型換熱管的阻力系數(shù)f比內(nèi)置齒狀螺旋元件換熱管要小，換熱管阻力系數(shù)f隨開(kāi)齒數(shù)變化不明顯。SK型換熱管阻力系數(shù)f為0.55248，開(kāi)齒數(shù)為3時(shí)阻力系數(shù)f為1.05059，開(kāi)齒數(shù)為4時(shí)阻力系數(shù)f為1.06116，可由簡(jiǎn)單計(jì)算算出，內(nèi)置齒狀螺旋元件換熱管的阻力系數(shù)f為SK型換熱管的1.90～1.92倍。隨著開(kāi)齒數(shù)C的變大，圖中曲線(xiàn)趨于平緩，開(kāi)齒數(shù)目的多少使流體的流動(dòng)速度受到影響，但影響較小。

2.4" 綜合性能評(píng)價(jià)因子PEC值

基于模擬數(shù)據(jù)，計(jì)算了SK型換熱管和內(nèi)置齒狀螺旋元件換熱管的綜合性能評(píng)價(jià)因子PEC，結(jié)果如圖9所示。

由圖9可以看出，綜合性能評(píng)價(jià)因子PEC隨開(kāi)齒數(shù)C改變的變化曲線(xiàn)近似拋物線(xiàn)形式。C=0時(shí)為SK型換熱管的PEC值，它和內(nèi)置齒狀螺旋元件換熱管PEC值始終大于1，而且內(nèi)置齒狀螺旋元件換熱管PEC值要大于SK型換熱管。SK型換熱管PEC值為1.2547，開(kāi)齒數(shù)為2齒時(shí)PEC值最低為1.4024，開(kāi)齒數(shù)為3齒時(shí)PEC值最高為1.4203，內(nèi)置齒狀螺旋元件換熱管的PEC值是SK型的1.12～1.13倍。因此，內(nèi)置齒狀螺旋元件換熱管綜合性能優(yōu)于SK型換熱管，在開(kāi)齒數(shù)為3時(shí)內(nèi)置齒狀螺旋元件換熱管綜合性能最佳。

3" 結(jié) 論

1）新型內(nèi)置齒狀螺旋元件換熱管在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上相對(duì)于前人的研究成果具有一定創(chuàng)新性，傳熱效果進(jìn)一步獲得提升。

2）在開(kāi)齒數(shù)C分別為2、3、4和5的齒狀螺旋換熱管中，在Re=800時(shí)，C=3齒狀螺旋元件換熱管的PEC最大，為1.420，綜合性能優(yōu)于其他3種開(kāi)齒數(shù)的換熱管。

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Influence of Teeth Number on Heat Transfer Performance of Heat Exchange Tubes with Built-in Toothed Spiral Elements

YEHanyu， TIAN He， SUNMing， ZHANGQingguan

（Shenyang University of Chemical Technology， ShenyangLiaoning 110142，China）

Abstract：A new type of heat exchange tube with built-in toothed spiral elementswas proposed on the basis of the traditional spiral heat transfer element in the tube. Fluent software was used to numerically simulate the flow rate and temperature field in the single liquid phase in the heat exchange tube at low Reynolds number， and the influence of different tooth number on the heat transfer performance of the heat exchange tube was discussed. The results showed that， in the toothed spiral heat exchange tubes with the opening number C of 2， 3， 4 and 5， under Re=800， the toothed spiral heat exchange tube with C=3 had the largest PEC （1.420）， which was superior to the traditional heat transfer elements and the heat exchange tubes with other three kinds of teeth number.

Key words：Numerical simulation; Number of teeth; Heat transfer performance; PEC