李雅俠，張騰，張春梅，張麗，吳劍華（沈陽化工大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院，遼寧 沈陽 04；沈陽化工大學(xué)化學(xué)工程學(xué)院，遼寧 沈陽 04）

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高低雙螺旋片強(qiáng)化套管換熱器殼側(cè)換熱

李雅俠1，張騰1，張春梅1，張麗2，吳劍華1
（1沈陽化工大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院，遼寧 沈陽 110142；2沈陽化工大學(xué)化學(xué)工程學(xué)院，遼寧 沈陽 110142）

摘要：采用實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬相結(jié)合的方法，研究了高低雙螺旋片對(duì)套管換熱器殼側(cè)的強(qiáng)化換熱效果。以僅帶有高螺旋片的換熱器結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，研究了曲率ε分別為0.44、0.321和0.131時(shí)，Reynolds數(shù)在4000～20000范圍內(nèi)，低、高螺旋片高度之比l/W對(duì)殼側(cè)換熱平均Nusselt數(shù)Num和流動(dòng)阻力系數(shù)f的影響，考察了等泵功條件下?lián)Q熱器的綜合傳熱性能。對(duì)ε=0.44的換熱器研究結(jié)果表明：當(dāng)l/W＞1/2時(shí)雙螺旋片強(qiáng)化傳熱效果顯著，且研究工況中l(wèi)/W=3/4時(shí)最優(yōu)，此時(shí)與單一高螺旋片相比，Num值平均提高了10.8％；研究范圍內(nèi)，綜合強(qiáng)化傳熱因子PEC數(shù)在1.044～1.204。對(duì)不同曲率換熱器的研究結(jié)果表明，同一l/W值下，PEC數(shù)隨著曲率ε值的增大而增大，說明雙螺旋片結(jié)構(gòu)更適合強(qiáng)化曲率較大的套管換熱器殼側(cè)換熱。

關(guān)鍵詞：雙螺旋片；強(qiáng)化傳熱；套管換熱器；數(shù)值模擬

第一作者：李雅俠（1977—），女，博士，副教授，研究方向?yàn)榱黧w流動(dòng)、傳熱及過程強(qiáng)化。聯(lián)系人：吳劍華，教授，博士生導(dǎo)師。E-mail syhgdx_wjh@163.com。

套管換熱器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、承壓能力強(qiáng)，在化工、動(dòng)力、制藥等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，其殼側(cè)的強(qiáng)化傳熱研究具有重要的工程實(shí)際意義。如當(dāng)殼側(cè)熱阻較大時(shí)，強(qiáng)化殼側(cè)換熱可大幅提升換熱器整體傳熱性能。此外，當(dāng)管程完成的是某種化學(xué)反應(yīng)時(shí)，嚴(yán)格的溫度控制是產(chǎn)品質(zhì)量的重要保證，此時(shí)需要?dú)?cè)具有高效的傳熱能力以實(shí)現(xiàn)管程反應(yīng)熱的快速移出。當(dāng)前采用異型內(nèi)管或在內(nèi)管外壁增加翅片是常用的殼側(cè)強(qiáng)化傳熱方法[1-3]，其中在內(nèi)管外壁安裝螺旋翅片不但增加了傳熱面積，同時(shí)增加了流場(chǎng)的擾動(dòng)，提高了換熱[4-5]。王定標(biāo)等[6]的研究結(jié)果表明，螺旋翅片的升角越小，其強(qiáng)化傳熱的效果越好，但流動(dòng)阻力顯著增加。因而從綜合強(qiáng)化傳熱效果考慮，換熱管長度一定時(shí)，不能僅依靠減小螺旋片升角（或螺距）的方法來強(qiáng)化套管換熱器殼側(cè)的傳熱。針對(duì)上述問題，吳靜秋等[7]研究了不同高度的螺旋隔板對(duì)殼程流體傳熱的影響，發(fā)現(xiàn)隔板高度為1/2～3/4螺距時(shí)綜合換熱性能最佳。張麗等[8-9]采用螺旋片復(fù)合渦發(fā)生器的方法強(qiáng)化套管換熱器的殼側(cè)傳熱，指出渦發(fā)生器更適宜在小曲率套管換熱器內(nèi)工作。本文以已有的研究工作為基礎(chǔ)，提出采用雙頭螺旋片強(qiáng)化套管換熱器殼側(cè)的傳熱，即在高螺旋翅片之間安裝不同高度的同向螺旋的低翅片。以僅帶有單一高螺旋片的套管換熱器殼側(cè)結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，采用實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬方法考察高低雙螺旋翅片對(duì)不同曲率的套管換熱器的強(qiáng)化傳熱效果。本文的研究可為豐富套管換熱器強(qiáng)化換熱的研究提供理論依據(jù)和實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。

1　實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)與數(shù)值模擬

1.1實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)及裝置如圖1所示，主要由旋渦氣泵、冷卻器、渦輪流量計(jì)、壓差傳感器、熱電偶、實(shí)驗(yàn)管段以及相關(guān)連接管道和閥門組成。實(shí)驗(yàn)中套管換熱器管程的供熱介質(zhì)為水蒸氣，通過電加熱的鍋爐產(chǎn)生，由上至下在管內(nèi)冷凝供熱。殼側(cè)冷卻介質(zhì)為空氣，經(jīng)過冷卻器冷卻后由渦旋氣泵鼓入殼側(cè)，其流量和溫度的測(cè)量分別通過安裝在入口的渦輪流量計(jì)和熱電偶測(cè)量獲得?？諝庠跉?cè)由下至上與管側(cè)水蒸氣進(jìn)行間壁式換熱升溫，在出口處經(jīng)熱電偶測(cè)量溫度后放空。殼側(cè)壓降通過入口處安裝的壓差傳感器獲得。套管換熱器內(nèi)管與螺旋片材質(zhì)均為紫銅，外管材質(zhì)為不銹鋼，為了減少熱量損失，在外管外壁敷設(shè)保溫材料。殼側(cè)壁溫的獲得通過沿?fù)Q熱器內(nèi)管外壁布置6對(duì)銅-康銅熱電偶獲得（熱電偶在圖中未全部標(biāo)示出）。實(shí)驗(yàn)中溫度和壓力的測(cè)量數(shù)值全部由數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)直接獲得。

圖1　實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)簡(jiǎn)圖

安裝高低雙頭螺旋片的套管換熱器的物理模型可簡(jiǎn)化為，高螺旋片從內(nèi)管的外壁延展到外管的內(nèi)壁，構(gòu)成矩形截面螺旋通道，不同高度的低螺旋片安裝在矩形通道內(nèi)管外壁的中間位置，如圖2所示，圖中W為高螺旋片的高度，l為低螺旋片的高度，b為螺旋片的厚度，H為流道的高度，P為螺旋片的螺距，D為殼側(cè)內(nèi)徑，d為內(nèi)管外徑。

圖2　殼側(cè)流道簡(jiǎn)化示意圖

1.2數(shù)值模擬

以空氣為工作介質(zhì)，采用CFD軟件Fluent對(duì)不同曲率的安裝雙螺旋翅片的套管換熱器殼側(cè)的傳熱性能和阻力特性進(jìn)行數(shù)值模擬。換熱邊界條件為內(nèi)管外壁為恒定壁溫Tw=373K，采用速度入口和壓力出口的邊界條件。應(yīng)用Realizable k-ε湍流模型，壓力和速度的解耦采用Simplec算法[10]，采用二階迎風(fēng)格式離散動(dòng)量方程和能量方程，各變量的收斂殘差取為10?6。經(jīng)過網(wǎng)格獨(dú)立性實(shí)驗(yàn)，選用網(wǎng)格間距為1mm可以滿足計(jì)算精度要求。

1.3數(shù)據(jù)的處理方法

為了研究雙螺旋片結(jié)構(gòu)對(duì)套管換熱器的強(qiáng)化傳熱效果，以僅帶有單一高螺旋片的套管換熱器的殼側(cè)結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，根據(jù)矩形截面螺旋通道結(jié)構(gòu)，定義曲率e為式(1)。

其中當(dāng)量直徑de定義如式(2)。

量綱為1參數(shù)Re、Num和f定義如式(3)～式(5)。

式中，Num為套管換熱器殼側(cè)平均努塞爾數(shù)；f為流動(dòng)阻力系數(shù)；Δp為空氣進(jìn)出口的壓降；Δl為以矩形橫截面內(nèi)壁中心線計(jì)算的螺旋流道長度；um為流體的截面平均速度，即um=qv/A；A為橫截面積，則平均換熱系數(shù)α可以定義為式(6)，其中空氣平均溫度差Δtm見式(7)。

式中，tin和tout分別為空氣進(jìn)出口的平均溫度；tw為內(nèi)管外壁面的平均溫度；F為傳熱面積，F(xiàn)=其中Ff為高低螺旋片的上下兩側(cè)面的面積，ηf為螺旋片散熱效率，見式(8)。

式中，λf為螺旋片的熱導(dǎo)率。本實(shí)驗(yàn)中螺旋片的材質(zhì)為高導(dǎo)熱性能的紫銅，故ηf的值接近于1。

為了分析不同曲率下，雙螺旋片對(duì)套管換熱器的強(qiáng)化傳熱效果，本文對(duì)8種結(jié)構(gòu)的換熱器進(jìn)行了研究，其具體結(jié)構(gòu)參數(shù)見表1。其中SF表示僅采用單一高螺旋片強(qiáng)化傳熱的換熱器，DF表示采用高低雙螺旋片強(qiáng)化傳熱的換熱器。

表1　換熱器的結(jié)構(gòu)參數(shù)

2　實(shí)驗(yàn)與模擬的比較

為了驗(yàn)證數(shù)值模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性，圖3和圖4分別給出了SF和DF2型換熱器殼側(cè)平均Nusselt 數(shù)Num以及流動(dòng)阻力系數(shù)f的實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬結(jié)果的對(duì)比。分析結(jié)果表明，Num的實(shí)驗(yàn)值和數(shù)值模擬值的最大偏差為11.9％，平均偏差為7.7％；f值的最大偏差偏為5.5％，平均偏差為3.8％?？梢姳疚牡臄?shù)值模擬方法是可靠的。造成數(shù)值模擬與實(shí)驗(yàn)存在偏差的可能原因有：實(shí)驗(yàn)中螺旋片存在導(dǎo)熱熱阻溫度達(dá)不到模擬所設(shè)定的恒壁溫，導(dǎo)致Nu值存在

圖3　Num模擬值與實(shí)驗(yàn)值的對(duì)比

圖4　f模擬值與實(shí)驗(yàn)值的對(duì)比

偏差；螺旋片的材質(zhì)存在一定的粗糙度，造成f值的偏差以及螺旋片的加工存在一定的偏差等。

3　結(jié)果與分析

3.1傳熱性能

圖5給出了ε=0.440時(shí)不同低、高螺旋片高度之比l/W值下平均Nusselt數(shù)Num的變化曲線，可以看出，殼側(cè)安裝了高低雙螺旋片的套管換熱器的Num值均高于僅安裝單一高螺旋片的Num值，說明高低雙螺旋片的強(qiáng)化傳熱效果要優(yōu)于單一高螺旋片。這是由于加入低螺旋片后，一方面增大了傳熱面積；另一方面低螺旋片對(duì)流場(chǎng)起到擾動(dòng)作用，進(jìn)一步增加了流體的湍動(dòng)程度，強(qiáng)化了換熱。同時(shí)可以看出，研究范圍內(nèi)，隨著l/W值的增加，套管換熱器的換熱性能也在逐漸增強(qiáng)。當(dāng)l/W≤1/2時(shí)，Num值增加幅度較?。欢?dāng)l/W>1/2時(shí)，Num值顯著提高，特別是當(dāng)l/W=3/4時(shí)換熱效果增強(qiáng)最為顯著。分析結(jié)果表明，此時(shí)與僅安裝單一高螺旋片的SF型套管換熱器相比，Num值平均提高了10.8％，最大提高了13.1％。

圖5　ε=0.440時(shí)l/W對(duì)傳熱性能的影響

3.2流動(dòng)阻力

為了研究低、高螺旋片高度之比l/W的變化對(duì)換熱器殼側(cè)流動(dòng)阻力Δp的影響，圖6和圖7分別給出了當(dāng)ε=0.440時(shí)，不同l/W值下，換熱器殼側(cè)總的流動(dòng)阻力Δp以及阻力系數(shù)f的變化曲線。從圖6中可以看出，安裝雙螺旋片的套管換熱器與安裝單一高螺旋片的換熱器相比，流動(dòng)阻力Δp均有不同程度的增加，且Δp隨著l/W值的增加而逐漸增大。然而隨著l/W值的增加，由于流道的當(dāng)量直徑de逐漸減小，阻力系數(shù)f則隨著l/W值的增加而呈現(xiàn)下降的趨勢(shì)，如圖7所示。

3.3綜合換熱性能評(píng)價(jià)

為了考察等泵功條件下，雙螺旋片結(jié)構(gòu)的套管換熱器綜合換熱性能的優(yōu)劣，采用綜合強(qiáng)化傳熱因數(shù)PEC數(shù)對(duì)其進(jìn)行評(píng)價(jià)，PEC數(shù)定義為式(9)。

圖6　ε=0.440時(shí)l/W對(duì)壓降Δp的影響

圖7　ε=0.440時(shí)l/W對(duì)阻力系數(shù)f的影響

圖8　l/W值對(duì)PEC數(shù)的影響（ε=0.44）

式中，Num和f為帶有高低雙螺旋片的套管換熱器殼側(cè)平均Nusselt數(shù)和流動(dòng)阻力系數(shù)，而Nu0和f0則為對(duì)應(yīng)的僅帶有高螺旋片的套管換器的值。圖8中給出了曲率ε=0.44值時(shí)不同l/W值下套管換熱器的PEC數(shù)隨雷諾數(shù)Re的變化曲線，可以看出研究范圍內(nèi)PEC數(shù)均大于1，在1.044～1.204，說明高低雙螺旋片的綜合強(qiáng)化傳熱效果要優(yōu)于單一的高螺旋片。同時(shí)可以看出當(dāng)l/W＞1/2時(shí)PEC值明顯提高，說明當(dāng)?shù)吐菪叨却笥诟呗菪叨鹊囊话霑r(shí)，高低雙螺旋片的綜合強(qiáng)化傳熱效果才會(huì)更顯著。所研究的工況中，l/W=3/4時(shí)即DF3型換熱器的綜合強(qiáng)化傳熱性能為最佳。這是由于當(dāng)?shù)吐菪母叨容^小時(shí)，其對(duì)流場(chǎng)的擾動(dòng)作用較小，對(duì)原有的流場(chǎng)改變亦不明顯，因此強(qiáng)化傳熱效果不顯著。隨著低螺旋片高度的增加，不但傳熱面積增大，而且高低螺旋片之間的流體在離心力的作用下，有助于二次渦的形成，促進(jìn)強(qiáng)化傳熱。此外，低螺旋片和換熱器外管內(nèi)壁之間的間隙逐漸減小，從此間隙通過的流體會(huì)以較高的速度沖擊其后的流場(chǎng)和高螺旋翅片，也會(huì)對(duì)換熱起強(qiáng)化作用，已有的研究結(jié)果[11-12]也表明適當(dāng)尺寸的縫隙流動(dòng)會(huì)有助于強(qiáng)化傳熱。

為了考察高低螺旋片對(duì)不同曲率的套管換熱器的強(qiáng)化傳熱效果，在曲率ε分別為0.440、0.321、0.131的僅帶有單一高螺旋片的套管換熱器殼側(cè)安裝低螺旋片，其中低、高螺旋片的高度之比l/W均選取為3/4，即表1中的DF3、DF6和DF7換熱器，數(shù)值計(jì)算得到PEC的計(jì)算結(jié)果如圖9所示?？梢钥闯?，同一Re數(shù)下，ε值越大，PEC值越高，說明高低雙螺旋片結(jié)構(gòu)更適宜強(qiáng)化大曲率套管換熱器殼側(cè)的換熱。

圖9　曲率ε對(duì)PEC數(shù)的影響（l/W=3/4）

4　結(jié)論

（1）與單一高螺旋片結(jié)構(gòu)相比，高低雙螺旋片可以更好地強(qiáng)化套管換熱器殼側(cè)的換熱。

（2）對(duì)于ε=0.44的換熱器，低、高螺旋片高度比l/W大于1/2時(shí)雙螺旋片強(qiáng)化傳熱效果顯著。

（3）曲率ε=0.44時(shí)，安裝高低雙螺旋片套管換熱器的PEC值在1.044～1.204，研究工況中l(wèi)/W=3/4時(shí)，綜合強(qiáng)化傳熱效果最佳。

（4）相同l/W值條件下，換熱器的曲率ε越大，高低雙螺旋片的綜合強(qiáng)化傳熱效果越顯著。

符 號(hào) 說 明

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Heat transfer enhancement on shells of double-pipe exchanger with double helix fins

LI Yaxia1，ZHANG Teng1，ZHANG Chunmei1，ZHANG Li2，WU Jianhua1
（1College of Energy and Power Engineering，Shenyang University of Chimerical Technology，Shenyang 110142，Liaoning，China；2College of Chemical Engineering，Shenyang University of Chimerical Technology，Shenyang 110142，Liaoning，China）

Abstract：Experimental and numerical methods were adopted to study the heat transfer enhancement effect for double-pipe exchangers by installing high and low double strand helix fins on the outer wall of inner tube. The double-pipe heat exchanger with single high helical fin was treated as referenced structure. The curvature ratios were set to 0.44，0.321 and 0.131 and the Reynolds number was in the range of 4000 to 20000. The impact of the ratio of low to high helical fin heights on the average Nusselt number of shell wall Numand flow resistance coefficient f were studied. The comprehensive heat transfer performances of heat exchanger were examined at the same pump power condition. The study on heat exchanger with ε=0.44 showed that enhanced heat transfer effect was distinct when l/W value is greater than 1/2. The condition of l/W=3/4 is an optimal plan. For this case，the Numof heat exchanger with double helical fins was improved by 10.8 percent on average compared to that of single high fins. PEC values are in the range of 1.044 to 1.204 within the researched scope. The study on heat exchangers with different ε values showed that PEC values are raised with the increases of curvature ratio ε at the same l/W values，which indicates that low and high double helical fins are more suitable to double-pipe exchangers with larger curvature ratio.

Key words：double stranded helix fins；heat transfer enhancement；double-pipe heat exchanger；numerical simulation

中圖分類號(hào)：TK 172

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1000–6613（2016）04–1042–05

DOI：10.16085/j.issn.1000-6613.2016.04.012

收稿日期：2015-10-08；修改稿日期：2015-11-12。

基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金（51506133）、遼寧省教育廳項(xiàng)目（L2014165）及遼寧省博士科研啟動(dòng)基金項(xiàng)目（20141085）。