内插螺旋弹簧换热管核心流强化传热特性研究

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(武汉工程大学 机电工程学院， 湖北 武汉 430205)

热交换器广泛应用于石油、化工、能源、动力、冶金等工业部门。随着经济的快速发展，上述行业对热交换器的性能要求也越来越高。探索各种强化传热技术，设计出新型高效紧凑的热交换器，成为现代工业中亟待解决的课题之一，也是开发利用新能源、推进节能减排的迫切任务之一，而采用强化传热技术是实现这一目标的最有效途径。

自普朗特提出的边界流概念在对流换热问题中得到成功应用以来，各种对热交换器强化传热的研究层出不穷。从早先提出的基于边界层流动的强化传热，到后来刘伟等人提出的核心流强化传热，管内插入物一直是重点的研究对象。刘伟等人[1]着重研究了管内插入十字形栅板在核心流区域对换热的影响。杨坤等人[2]着重研究了管内插入多孔介质在核心流区域对换热的影响。在以上研究中，主要对内插栅板及多孔介质进行了深入的研究，而对于内插螺旋弹簧在核心流区段的研究却很少。在管内插入螺旋弹簧是一种典型而简单易行的强化传热手段，具有成本低廉、操作方便、金属消耗量很少的特点。在管内插入弹簧后，管内的流体在弹簧的阻碍作用下产生二次流，可促进边界层流区与核心流区域进行充分的混合。

文中通过实验和FLUENT模拟实验装置构建数值模型计算这两种方法，分析了不同圈径螺旋弹簧管与光管的传热特性，同时实验结果也验证了数值模拟的结果，即内插不同圈径螺旋弹簧换热管在核心流区域具有不同程度的强化传热优势。

1 传热特性实验简介

1.1 实验方法

实验时以冷水、热水作为流体介质，冷水走壳程，热水走管程。使用温度传感器、压力传感器、电磁流量计等分别测量管程、壳程的进、出口温度，进、出口压力以及体积流量。依据所读取的数据换算出强化传热特性，计算出雷诺数Re与努塞尔数Nu的关系。

1.2 实验材料

光管规格(外径×厚度×长度)为Ø20 mm×0.8 mm×1 820 mm。不同圈径D的内插螺旋弹簧规格(丝径×节距×长度)为1 mm×6 mm×1 820 mm，材质为普通碳素钢，结构尺寸示意见图1。图1中，Do为管道外径，Di为管道内径，δ为光管壁厚，D为弹簧中径，d为弹簧丝径，t为弹簧节距，L为管子长度，mm。

图1 内插螺旋弹簧管尺寸示图

文中示例中，Do=20 mm、Di=18.4 mm、δ=0.8 mm、L=1 820 mm、d=1 mm、t=6 mm，有3种弹簧中径进行模拟计算，即D分别为12 mm、14 mm、16 mm。

1.3 实验仪器

主要实验仪器包括温度传感器、压力传感器和电磁流量计等。

1.4 实验装置

实验装置由高温水回路、低温水回路、测量控制系统和热交换器4部分构成，实验流程见图2。

1.5 实验步骤

(1)安装各种实验仪器设备，检查安装无误后，校正仪器误差。

(2)热水箱、冷水箱中充水。

1.水箱 2.离心泵 3.阀门 4.加热用锅炉 5.电磁流量计 6.压力传感变送器 7.温度测量仪 8.实验用设备 9.冷流出口 10.热流出口 11.冷流入口 12.热流进口图2 内插螺旋弹簧换热管传热特性实验流程

(3)打开控制柜的总电源开关，开启各个控制开关，确认能够打开各实验装置。

(4)启动热水箱中加热棒，通过数据采集系统检测管程温度。当管程温度恒定在60 ℃左右后，维持热水温度恒定。

(5)开启离心泵，使热交换器壳程流体与管程流体流动，检查实验装置的密封性。

(6)调节壳程流量，使壳程的冷水体积流量保持在8 m3/h左右。

(7)打开管程流量控制阀门，依次改变管程热水的体积流量(0.4～1.4 m3/h),当各温度值基本稳定不变时,记录所有测量数据。

(8)依次更换热交换器实验模型,重复以上操作步骤,直到完成所有实验。

1.6 实验结果

圈径分别为Ø12 mm、Ø14 mm、Ø16mm的螺旋弹簧插入换热管后，在相同Re下，不同圈径螺旋弹簧管内与光管的传热特性比较曲线见图3。

图3 不同圈径螺旋弹簧管与光管传热特性曲线

分析图3：①不同圈径螺旋弹簧管与光管传热特性对比。随着管内Re的增加，光管和内插螺旋弹簧换热管的Nu均呈现逐步增加的趋势，并且不同圈径内插螺旋弹簧管的Nu增大的程度明显高于光管。内插入螺旋弹簧直径分别为Ø12 mm、Ø14 mm、Ø16 mm的换热管的平均Nu比光管的平均Nu增加幅度为5%～20%。②不同圈径螺旋弹簧管之间传热特性对比。在相同Re情况下，内插圈径较大的Ø16 mm螺旋弹簧，弹簧圈径贴近管壁面，换热管的Nu较小，表明换热管的换热较弱。内插圈径较小的Ø12 mm螺旋弹簧，弹簧圈径接近管子中心线位置，换热管的Nu较大，表明换热管的换热能力较强。

2 传热特性数值模拟[3-17]

数值模拟采用FLUENT，使用内插螺旋弹簧管作为强化传热管，分别进行了普通光管的传热分析、内插螺旋弹簧管与普通光管的对比分析以及内插不同圈径螺旋弹簧管的对比分析，得出了内插螺旋弹簧管在核心流区域强化传热的规律。

2.1 模型建立及网格划分

对图1所示的单根光管及内插螺旋管进行模型建立。选用103 086个网格作为本次模拟实验网格划分的个数，网格划分示意图见图4。

图4 光管及内插螺旋弹簧管网络划分示图

2.2 边界条件

(1)光管 入口边界条件设置为速度入口，出口条件设置为自由出口。壁面换热条件设置为恒定壁温300 K。

(2)内插螺旋弹簧管 管内插弹簧表面设置为绝热表面，其余初始条件与边界条件的设置与光管完全相同。

(3)不同圈径内插螺旋弹簧 管内插弹簧表面设置为绝热表面，各组不同圈径弹簧管初始条件与边界条件的设置与光管完全相同。

2.3 湍流模型

考察本次模拟实验Rei的取值范围，在模拟实验计算中采用标准的k-ε模型[3]。

2.4 模拟计算结果

2.4.1光管管内速度场及温度场

Rei=4 000时，光管管内的温度、速度分布云图见图5。

图5 Rei=4 000时光管的温度和速度分布云图

从图5a可以看出，光管管壁温度较低，壁面附近温度梯度较大，而在管道中间核心流区域流体的温度梯度较小，说明换热能力比较弱。

从图5b可以看出，光管管壁速度较小，壁面附近速度梯度较大，而在管道中间核心流区域流体的速度梯度较小，说明流动的扰动性较小。

2.4.2内插螺旋弹簧管内速度场及温度场

管内雷诺数Rei=4 000条件下，内插螺旋弹簧管的温度、速度分布云图见图6。

从图6可以看出，内插螺旋弹簧管核心流区段因流体受到弹簧的扰动，管内整个流场的温度分布及速度分布均呈现比较均匀的特征。

图6 Rei=4 000时内插螺旋弹簧管内温度和速度分布云图

比较图5、图6可知，内插螺旋弹簧管的传热情况要明显好于普通光管，由于在核心流区插入弹簧，对传热起到了强化的作用。

2.4.3不同圈径内插螺旋弹簧管内传热性能

Rei=4 000时，换热管内分别插入圈径为Ø10 mm、Ø16 mm弹簧管内的温度、速度云图分别见图7、图8。

图7 Rei=4 000时圈径Ø10 mm内插弹簧管管内温度和速度分布云图

图8 Rei=4 000时圈径Ø16 mm内插弹簧管管内温度和速度分布云图

从图7可以看出，管内插入圈径为Ø10 mm的螺旋弹簧在Rei=4 000时，弹簧较为靠近管中心线，对核心流区域的流动扰动比较大，整个内插螺旋弹簧换热管的温度分布、速度分布更加均匀，说明具有较强的强化传热作用。

从图8可以看出，管内插入圈径为Ø16 mm的螺旋弹簧在Rei=4 000时，弹簧较为靠近管壁面，对核心流区域的流动扰动有限，整个内插螺旋弹簧换热管的温度分布、速度分布不够均匀，说明强化传热作用有限。

2.5 综合性能评价

采用综合性能评价标准指数PEC对内插螺旋弹簧换热管核心流强化换热进行评价，综合分析在核心流区内插螺旋弹簧对换热的影响，PEC评估按照下式进行：

式中，Nu为强化管的努塞尔数，Nu0为光管的努塞尔数，f为强化管阻力系数，f0为光管阻力系数，量纲一。

根据模拟计算数据对内插螺旋弹簧管的强化传热效果进行综合评价，圈径Ø10 mm内插螺旋弹簧换热管综合性能评价图见图9。

图9 圈径Ø10 mm内插螺旋弹簧管综合性能评价图

从图9可以看出，①Rei=2 000～5 000时，PEC始终大于1，表明在该段范围内，采用强化传热技术是可行有效的。②Rei=5 001～10 000内，综合性能评价标准指数PEC小于1且呈现递减趋势，说明此时内插螺旋弹簧管未起到综合强化传热的效果。虽然在这一范围内，单纯从换热角度来考察内插螺旋是具有强化传热效果的，但随着流体流速的增大，内插螺旋弹簧会使管内流体的阻力系数迅速增大。根据PEC分析，此情况下的内插螺旋弹簧管未起到综合强化传热的效果。

不同圈径情况下，内插螺旋弹簧换热管综合性能评价图见图10。

图10 Rei=4 000时不同圈径内插螺旋弹簧综合性能评价图

从图10可以看出，Rei=4 000时，内插螺旋弹簧圈径在Ø6 mm、Ø8 mm、Ø10 mm、Ø12 mm内，PEC呈现上升趋势，且指数均大于1，说明内插螺旋弹簧管均有不同程度的综合强化传热的效果。内插螺旋弹簧圈径在Ø12 mm、Ø14 mm、Ø16 mm内，PEC呈现下降趋势，说明在该段范围内，弹簧圈径过大，综合传热性能反而下降，并未为管内核心流区段起到很好的均匀作用，且弹簧圈径越靠近壁面，这种不均匀性越大。

3 实验结果与模拟计算对比分析

从实验结果可以看出,与光管相比，①内插不同圈径Ø12 mm、Ø14 mm、Ø16 mm的螺旋弹簧换热管都具有不同程度的强化传热作用。②在相同雷诺数Rei的情况下，内插圈径Ø16 mm螺旋弹簧换热管的强化换热情况较弱，而内插圈径Ø12 mm螺旋弹簧换热管的强化换热情况较强。

从数值模拟结果可以看出,①内插螺旋弹簧管的传热情况要明显好于普通光管。②在Rei=4 000下，内插圈径为Ø16 mm的螺旋弹簧换热管具有一定的强化传热作用，而内插圈径为Ø10 mm的螺旋弹簧换热管具有较强的强化传热作用。

对实验模拟计算结果采用综合性能评价标准指数PEC进行评价可以看出,在管内核心流区域插入螺旋弹簧的强化传热效果与插入弹簧的圈径大小以及流体状态有关，存在一个内插螺旋弹簧的最优值。在文中的研究条件下，不同圈径内插螺旋弹簧换热管在Rei=4 000时，综合性能评价标准指数PEC取得最大时的弹簧圈径是Ø12 mm。内插圈径为Ø10 mm的弹簧换热管，当Rei由2 000逐渐增大到10 000时，综合性能评价标准指数PEC先上升后下降，最优值为1.21。

4 结语

通过FLUENT模拟方法和实验方法，研究了内插螺旋弹簧换热管核心流的强化传热特性，实验结果验证了数值模拟的结果，这对后续研究及工程应用有一定的指导意义。

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