螺旋套管式换热器内流体流动及强化传热分析

栾坤鹏

（珠海格力电器股份有限公司 珠海 519070）

引言

螺旋套管式换热器广泛应用于动力、能源、化工、制冷、核能、石油等工业中[1-4]，壳程流体旋转流动自生的离心力与科氏力产生二次流的高效换热性能倍受关注。管道是能量转换和利用的桥梁，管道中不仅实现流体的输运和相变，也是传热传质的载体。目前有关光滑环形流道[5,6]和带有螺旋凹槽流道的已有较多研究，但是对内管螺纹缠绕圈数、内管螺纹槽深对流体流动和传热特性的影响的文章并未查到，因此该研究具有重要的意义。

1 物理模型及数学模型

1.1 物理模型

图1 螺纹凹槽圆环的螺旋流道模型

物理模型如图1所示，为截面加有螺纹凹槽的不规则截面为圆环的螺旋流道模型。主要的几何尺寸包括截面为圆环螺旋管的外圆半径（r1）和内圆半径（r2），螺旋半径（Rc）和螺距（H），内管螺纹缠绕的圈数（a）和内管螺纹的槽深（b）。螺旋管的曲率定义为螺旋半径的导数（1/Rc）。

表1 强化管模拟模型参数

建立研究对象的壳程流道并分别命名为M1、M2、M3、M4、M5、M6其参数见表 1。

1.2 数学模型

对于湍流流动的数值模拟，采用k-ε模型，压力和速度的解耦采用SIMPLE算法，为了提高计算精度，动量和能量方程的离散均采用二阶迎风格式，收敛条件为动量方程残差小于1.0×10-6。

由于研究对象在Re= 8 000～16 000为完全湍流状态，且从Realizable k-ε模型的特点来看，由于考虑了旋转的影响，比较适合于解决有旋流存在的问题，因此对于模拟对象选用此模型。耦合求解方法、离散格式及动量方程残差设置与湍流相同。

湍动能方程：

耗散率输送方程

式中：

Gκ—平均速度梯度引起的湍动能产生；

Gb—浮力影响引起的湍动能产生；

YM—可压缩湍流脉动膨胀对总的耗散率的影响；

C1ε、C2ε、C3ε、C2、A0—经验常数；

Fluent中默认值为C1ε=1.44、C2ε=1.9、C3ε=0.09、C2=1.9、A0=4.0；

σκ、σε—分别为湍动能和湍动耗散率对应的普朗特数；

Fluent中默认值为σκ=1.0、σε=1.2。

2 边界条件及流体物性参数

2.1 边界条件

壳程入口边界条件设置为速度入口，入口速度由雷诺数决定Re=8 000～16 000，流体入口温度为300 K；出口边界条件为压力出口，为了使研究方便，出口压力都设为0 Pa；本模型的壁面分为光滑的外壁和加有螺纹的内壁，内壁边界条件采用恒壁温的方式对壳程流体进行加热，温度设置为350 K，外壁设置为绝热边界条件，热流密度为零，壁面均采用无滑移壁面条件；湍流条件选择湍流强度和水利直径，其它均采用默认设置。

2.2 流体物性参数

在现实工业生产应用中，换热器内流体介质大多数为水，因此本文在研究时，以水作为流体介质很具有代表性。查水的物性参数表得到水的参数见表2。

3 结果与分析

3.1 不同螺旋螺纹圈数螺旋通道内流动热力性能分析比较

在入口处流体流动雷诺数为16 000时，研究截面为圆环的螺旋通道的模型和内管加有不同螺纹圈数的螺旋通道模型在角度为180 °处截面上努塞尔特数和表面摩擦系数的变化情况，从而来分析螺旋流道本身结构特点对流体流动和传热特性的影响。

表2 水的物理性参数

图2 模型M1、M2和M3在距离入口180 °截面处速度场矢量图和温度图

3.1.1 温度场及速度场分布

结合图2我们可以看出，三个模型螺旋流道内流体流动的速度的最大值与内管螺纹缠绕圈数成正比。从速度流线的分布来看，在同一截面处，内管螺纹为七圈的模型M3螺旋流道内流体的速度变化最大。对于温度分布，与模型M1相比，相同截面下模型M3向外侧的温度分布更加明显，由此可以得到螺纹缠绕圈数越多对扰动效果更加明显，速度变化更加明显，更加有利于换热。

3.1.2 雷诺数对传热和流动性能的影响

图3 距入口180 °截面处Nu数变化

图3和4展现了在内管上加有3、5和7圈相同槽深螺纹的三个模型在同一截面处（θ=180°），努赛尔数Nu及表面摩擦系数受雷诺数变化的影响。

图4 距入口180 °截面处变化

图5 模型M2、M4和M5在距离入口180 °截面处速度场矢量图和温度图

分析发现，随着雷诺数的增加，三个模型在同一截面处（θ=180 °）的努赛尔数也都在增加，且增加的趋势是按照一次方程规律。从图上可以看到随着螺纹缠绕圈数的增加，模型在同一截面处（θ=180 °）的努赛尔数增加的趋势也更加显著。相反的，随着雷诺数的增加，三个模型在同一截面处（θ=180 °）的摩擦系数都在减小，而且螺纹缠绕圈数越多的模型在同一截面处的摩擦系数越大。原因通过上面的分析，我们可以得到内管螺纹圈数越多的模型换热性能越好，但是我们不得不考虑摩擦系数对整体性能的影响。

3.2 不同螺纹槽深螺旋通道内流动热力性能分析比较

在入口处流体流动雷诺数为16 000时，研究不同螺纹槽深模型螺旋通道在角度为180 °处截面上努塞尔特数和表面摩擦系数的变化情况，从而来分析螺旋流道本身结构特点对流体流动和传热特性的影响。

3.2.1 温度场及速度场分布

结合图5我们可以看出，相同截面下模型M5向外侧的温度分布更加明显，这和速度差异分布的原因相同。通过以上分析，可以得到螺纹槽深越大对扰动效果更加明显，速度变化更加明显，更加有利于换热。

3.2.2 雷诺数对传热和流动性能的影响

图6和7展现了在内管上加有不同槽深螺纹的三个模型在同一截面处（θ=180°），努赛尔数Nu及表面摩擦系数受雷诺数变化的影响。

由图可知，随着雷诺数的增加，三个模型在同一截面处的努赛尔数数在按着一次函数的规律逐渐增大，而表面摩擦系数在逐渐减小。从整体来看，模型M5在同一截面同一雷诺数下的努赛尔数最大，模型M2与之很接近，模型M4最小，另外，随着雷诺数的增加模型M2和模型M5比模型M4的努赛尔数增加的更快，这一点可以从直线的斜率看出。这是因为，随着雷诺数的增大，流体通道内的扰流效果更加明显，从而加强了换热。而在同一截面处，相同雷诺数下，三个模型的表面摩擦系数的大小关系正好与努赛尔数的大小相同，表面摩擦系数更大，理由在前面已经叙述过，这里不再赘述。

图6 距入口180 °截面处Nu数变化

图7 距入口180 °截面处变化

4 结论

1）通过研究不同螺纹缠绕圈数的螺旋流道内流体流动和传热特性，得到在同一雷诺数下，努赛尔数及表面摩擦系数的大小与内管螺纹缠绕圈数的多少成正比。

2）螺旋流道内管螺纹不同槽深和螺纹缠绕圈数对流体流动和传热也有影响，在相同的雷诺数下，螺纹槽较深及较多螺纹圈数的螺旋流道对流体扰动更加明显，使得换热效果更好，而且相比之下，表面摩擦系数也越大。

综上可知，随着流道内螺纹圈数及槽深的增加，可以大大提升换热设备的效率，但是同时要考虑摩擦系数的增大，在产品的开发过程中需要综合考虑两者的影响。