内置偏心多螺旋扭带换热管的传热特性研究

田 瑞

（宁夏理工学院机械工程学院，宁夏 石嘴山 753000）

螺旋扭带，作为一种简单实用的扰流元件，被广泛应用于强化传热和清洗除垢等化工过程中。Smithberg[1]、Lopina[2]、王宗勇[3]、Zhi-Min Lin[4]、田瑞等[5]对螺旋扭带的强化传热作用做了深入研究，发现螺旋扭带内置于换热管中，能够迫使流体进行螺旋流动，进而增加流体流程，形成二次流动、减薄温度边界层，产生翅片效应等，最终使换热管的换热效率有所提高。张琳[6]、毛琨[7]、王永旭[8]、俞天兰等[9]对螺旋扭带的清洗除垢作用做了研究，发现管内置螺旋扭带能够减小污垢在管壁的沉积速率，加快沉积污垢的剥落速率，进而实现清洗除垢功能。前期学者们的研究，主要针对螺旋扭带内置于换热管中心或者单个偏心放置的情况，扭带内置于管中心导致了流动阻力损失较大，扭带单个偏心放置虽然在一定程度上增强了扭带侧流体的换热效果，但是对远离扭带侧流体的换热效果的强化较弱。鉴于此，本文提出了一种内置偏心多螺旋扭带的换热管模型，以期能够更大程度提高换热管的强化传热效果，为工程应用提供借鉴和参考。

1 传热特性分析

1.1 物理模型建立及边界条件设定

内置多螺旋扭带换热管的模型示意图如图1所示。换热管的管长为L=800mm，内置的螺旋扭带的长度为L’=756mm，螺旋扭带的宽度w=27mm，螺旋扭带的厚度δ=2mm，换热管中心处的细杆的直径=12mm，三螺旋扭带相互间的夹角为120°，四螺旋扭带相互间的夹角为90°。

图1 换热管示意图

速度入口边界条件为平均分布入口，出口边界采用自由流出口。换热管外壁采用恒壁温边界条件，壁温取350K。扭带与流体接触的边界采用无滑移边界条件，设为绝热壁。以285K 的水为模拟介质，忽略自然对流及温度对介质性质的影响。数值计算采用Fluent 软件的三维单精度分离解算器，压力速度耦合采用SIMPLE 算法，湍流模型选择RNG k-ε 模型，动量方程和能量方程的差分格式均采用二阶迎风格式，连续性方程残差收敛到10～6 以下，动量方程和能量方程残差收敛到10～8 以下。

1.2 对流传热强度分析

努塞尔数Nu 是表征流体对流传热强度的一个无量纲准则数，换热管的平均Nu 则表示的是整个换热管的对流传热强度，是对流传热强度的一种宏观度量。为了能更确切的表示出内置偏心多螺旋扭带对换热管的传热性能的提高，将内置螺旋扭带的换热管的平均Nu 与空管的平均Nu0作比值，图2 为Nu/Nu0与雷诺数Re 的关系图。

图2 Re 对Nu 的影响

由图2 可知，在5000≤Re≤10000 的范围内，内置偏心多螺旋扭带换热管的平均Nu 相对于空管有很大程度的提高，达到了空管的1.1～1.35 倍。Nu/Nu0随着雷诺数的增加而减小，这说明随着雷诺数的增加螺旋扭带对于换热管的传热性能的提高程度在逐渐下降，故在选择螺旋扭带作为强化传热元件时应尽量在雷诺数较低的工况下进行。

对比图2 中曲线还发现，在相同的扭率下，四螺旋扭带换热管的平均Nu 高于三螺旋扭带换热管的平均Nu。当扭率为3 时，四螺旋扭带换热管的平均Nu 相对于三螺旋扭带换热管的提高了1.4%～5.0%。四种情形中，扭率为2 的四螺旋扭带换热管的平均Nu 相对于空管提高的最多，故在不考虑摩擦阻力损失的情况下选择此换热管能取得较好的对流传热效果。

1.3 流动阻力分析

当流体经过管道时，流体必然要受到阻力损失，以下是对内置多螺旋扭带换热管的流动阻力系数f 的分析。流动阻力系数f 做与平均Nu 相似的处理，即与空管的流动阻力系数f0做比值。

图3 Re 对流动阻力系数的影响

图3 是内置多螺旋扭带换热管的流动阻力系数与空管的流动阻力系数的比值f/f0随着雷诺数的变化关系图。由图3 看出，对于本文研究的四种换热管，换热管内流体流动的阻力系数相对于空管都有相当大的提高。在5000≤Re≤10000 的范围内，内置偏心多螺旋扭带换热管的流动阻力系数是空管的3.2～7.9 倍。f/f0随着雷诺数的变化情况在不同的扭带扭率下有不同的表现。当扭带扭率为2 时，f/f0随着雷诺数的增加而增加；当扭带扭率为4 时，f/f0随着雷诺数的增加变化幅度较小，有略微的减小。这说明扭带扭率较大时，扭曲程度较小，Re 的变化对流动阻力损失影响不大。

1.4 综合传热性能分析

图4 是四种不同情况下，换热管的传热性能评价指标η 随雷诺数的变化情况。传热性能评价指标是一个既考虑传热效果又考虑阻力系数的综合指标。由图4 发现，在5000≤Re≤10000 的范围内，传热性能评价指标η 随着雷诺数的增加而减小，都小于1。这种多螺旋扭带结构在提高换热管对流传热性能的同时也促使流动阻力损失增加，故在工业应用中如果不考虑流动阻力损失，则利用多螺旋扭带来增加整个换热管的传热性能还是可行的。

图4 Re 对传热性能评价指标的影响

2 结论

本文通过数值模拟在5000≤Re≤10000 的范围内对内置偏心多螺旋扭带换热管的对流传热性能做了分析，从换热管的平均Nu、流动阻力系数f 以及传热性能评价指标η 三个方面分析了换热管的传热特性。内置偏心多螺旋扭带换热管的平均Nu 相对于空管来说有较大程度的提高，是空管的1.1～1.35 倍。内置偏心多螺旋扭带换热管的流动阻力系数是空管的3.2～7.9 倍。传热性能评价指标随着雷诺数的增加而减小。内置多个螺旋扭带会给换热管造成巨大的流动阻力损失，在选择多扭带结构作为强化传热元件时应考虑流动阻力损失的影响。