王小娟 李慶生

(南京工業(yè)大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院)

高壓水在橫紋槽螺旋管中的傳熱性能研究①

王小娟 李慶生

(南京工業(yè)大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院)

采用FLUENT軟件，以高壓水為介質(zhì)分析了光管螺旋管和橫紋槽螺旋管管內(nèi)流體流動(dòng)傳熱和壓降性能。結(jié)果表明：橫紋槽螺旋管的傳熱性能優(yōu)于光管螺旋管，同時(shí)壓降也高于光管螺旋管。

繞管式換熱器 光管螺旋管 橫紋槽螺旋管 傳熱性能

繞管式換熱器相對(duì)于普通的列管式換熱器具有結(jié)構(gòu)緊湊度高、適用溫度范圍廣、可用于高壓環(huán)境、傳熱溫差小、熱應(yīng)力能自身消除、適應(yīng)熱沖擊及可同時(shí)進(jìn)行多種介質(zhì)的傳熱等優(yōu)勢(shì)。Ferng Y M等利用CFD方法分析了迪恩數(shù)De和螺距對(duì)繞管式換熱器管程傳熱性能的影響，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證該CFD模型的合理性[1]。Jayakumar J S等采用實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬方法對(duì)螺旋管換熱性能進(jìn)行研究，結(jié)果表明恒定壁溫和恒定熱流率邊界條件均有一定的誤差，采用耦合傳熱計(jì)算方法后，實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬結(jié)果吻合較好[2]。Rainieri S等實(shí)驗(yàn)研究了在光滑螺旋換熱管和波紋螺旋換熱管內(nèi)的強(qiáng)制對(duì)流傳熱，結(jié)果表明：在低迪恩數(shù)時(shí)，兩種結(jié)構(gòu)的傳熱效果相近；高迪恩數(shù)時(shí)，波紋螺旋換熱管傳熱效果強(qiáng)于光管[3]。Yang G等通過(guò)迪恩數(shù)De、扭曲和普朗特?cái)?shù)Pr3個(gè)變量，采用數(shù)值模擬方法研究了在螺旋換熱管內(nèi)充分發(fā)展的層流對(duì)流傳熱[4]。Zachar A通過(guò)數(shù)值模擬分析了不同的幾何參數(shù)和熱邊界條件對(duì)層流和過(guò)渡流傳熱速率的影響[5]。Shokouhmand H和Salimpour M R基于最小熵變?cè)瓌t，采用定壁溫邊界條件分析了螺旋換熱管內(nèi)的層流流動(dòng)特性和傳熱性能[6]。Seban R A和Mclaughlin E F實(shí)驗(yàn)分析了水在螺旋換熱管內(nèi)層流和湍流狀態(tài)下的傳熱特征，并給出了雷諾數(shù)Re范圍為6 000～65 500、普朗特?cái)?shù)Pr范圍為2.9～5.7時(shí)的努塞爾數(shù)Nu公式[7]。Roger G F C和Mayhew Y R實(shí)驗(yàn)研究了螺旋換熱管內(nèi)的對(duì)流傳熱和摩擦系數(shù)，并提出了雷諾數(shù)Re范圍為10 000～100 000、普朗特?cái)?shù)Pr為7時(shí)的努塞爾數(shù)Nu公式[8]。Mori Y和Nakayama W通過(guò)理論和實(shí)驗(yàn)兩種方法研究了在定熱通量邊界條件下彎管內(nèi)的湍流傳熱，并對(duì)相同的模型以定壁溫為邊界條件研究其傳熱性能[9，10]。Jayakumar J S等通過(guò)實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬兩種方法研究了繞管式換熱器在液-液之間管內(nèi)的傳熱特征，分析了定壁溫、定熱通量和定對(duì)流系數(shù)3種邊界條件對(duì)換熱管CFD模型的傳熱影響，擬合的努塞爾數(shù)Nu公式適用的迪恩數(shù)De范圍為2 000～12 000、普朗特?cái)?shù)Pr范圍為1.0～3.5[11]。

橫紋槽管式換熱器是20世紀(jì)70年代中期出現(xiàn)的一種高效換熱器元件，可以顯著強(qiáng)化流體的傳熱效果，目前為止對(duì)橫紋槽螺旋管的換熱性能研究較少。筆者進(jìn)行橫紋槽螺旋管與光管螺旋管的傳熱特性分析。

1 數(shù)值模擬

1.1物理模型

光管螺旋管的模型如圖1所示，其中d為管直徑，p為節(jié)距，D為纏繞直徑，α為螺旋角。螺旋管的具體參數(shù)為：d=10mm，p=50mm，D=200mm。橫紋槽螺旋管的模型如圖2所示，是在光滑螺旋管的外壁滾軋出與管子軸線垂直的凹槽，其中m為相鄰兩個(gè)凹槽之間的軸向距離，e為槽深，n為槽寬。其具體參數(shù)為：m=47mm，e=0.3mm，n=1.04mm。

圖1 光管螺旋管模型

a. 橫紋槽螺旋管模型

b. 橫紋槽放大圖

1.2數(shù)學(xué)模型

筆者采用Realizablek-ε湍流模型，數(shù)學(xué)模型包括連續(xù)性方程、動(dòng)量方程、能量方程：

在CFD分析中，可實(shí)現(xiàn)k-ε湍流模型，需要求解湍動(dòng)能k和湍流耗散率ε：

YM

1.3網(wǎng)格劃分

圖3為橫紋槽螺旋管光滑處和橫紋槽處的網(wǎng)格示意圖。由于螺旋管在流動(dòng)過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生二次流，近壁面處流動(dòng)復(fù)雜，因此需要加密網(wǎng)格。但是，加密網(wǎng)格的同時(shí)，計(jì)算時(shí)間和計(jì)算機(jī)的內(nèi)存會(huì)造成一定的限制。因此，筆者采用加強(qiáng)壁面函數(shù)，在保證計(jì)算精度的基礎(chǔ)上節(jié)省計(jì)算時(shí)間。最終，進(jìn)行網(wǎng)格無(wú)關(guān)性驗(yàn)證后，網(wǎng)格數(shù)量為1 912 320。

a. 光滑處

b. 橫紋槽處

1.4數(shù)值方法和邊界條件

使用CFD軟件FLUENT模擬流體在螺旋管內(nèi)的流動(dòng)冷卻傳熱，進(jìn)口采用速度進(jìn)口，出口采用壓力出口，壁面為均勻熱流。采用SIMPLC算法求解壓力速度耦合方程。湍流脈動(dòng)能方程采用一階迎風(fēng)格式，連續(xù)性方程、動(dòng)量方程、能量方程和湍流耗散率方程采用二階迎風(fēng)格式。物性使用多段線性，使之更接近實(shí)際物性。

2 計(jì)算結(jié)果及分析

2.1模型驗(yàn)證

為了與文獻(xiàn)[7]的實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，選擇10MPa、330K狀態(tài)下的水為介質(zhì)，對(duì)光管螺旋管進(jìn)行分析。圖4為努塞爾數(shù)Nu模擬值與文獻(xiàn)[7]實(shí)驗(yàn)值的對(duì)比，兩者之間最大誤差為31%，平均誤差為28%，考慮到實(shí)驗(yàn)測(cè)量誤差、有限元計(jì)算中假設(shè)、簡(jiǎn)化等計(jì)算誤差，可認(rèn)為模擬值與實(shí)驗(yàn)值的變化趨勢(shì)符合較好，能夠反映流動(dòng)換熱的特性。

2.2橫紋螺旋管光滑處與橫紋槽處速度矢量圖對(duì)比

在橫紋螺旋管光滑處的速度矢量圖如圖5a所示，由于彎管造成的二次流，在管壁的上下方形成兩個(gè)漩渦，而密度差會(huì)在管壁的內(nèi)外側(cè)形成漩渦。筆者在計(jì)算時(shí)考慮了物性的變化和重力的影響，因此上下兩側(cè)的漩渦相對(duì)于管水平線有一定的偏移，由于溫度差較小、密度相差很小，因此偏移量較小。橫紋螺旋管橫紋槽處的速度矢量圖如圖5b所示，由于橫紋槽的存在，使得壁面處速度矢量雜亂無(wú)章，表明該處的流動(dòng)復(fù)雜，湍流程度增強(qiáng)。

圖4 努塞爾數(shù)Nu模擬值與實(shí)驗(yàn)值對(duì)比

圖5 橫紋槽螺旋管速度矢量圖

2.3光管螺旋管和橫紋槽螺旋管傳熱性能對(duì)比

如圖6所示，橫紋槽螺旋管的換熱性能明顯優(yōu)于光管螺旋管，努塞爾數(shù)Nu約提高了5%～6%。計(jì)算中采用的橫紋槽螺旋管橫紋槽分布較稀疏，槽深、槽寬較小，后期研究中可通過(guò)對(duì)橫紋槽螺旋管的橫紋槽結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化進(jìn)一步提高傳熱綜合性能。

2.4光管螺旋管和橫紋槽螺旋管壓降對(duì)比

如圖7所示，橫紋槽螺旋管的壓降明顯大于光管螺旋管壓降，這是由于橫紋槽結(jié)構(gòu)造成流體流道截面的不斷變化，導(dǎo)致流動(dòng)阻力增大，壓降增加。

圖6 橫紋槽螺旋管和光管螺旋管換熱性能對(duì)比

圖7 橫紋槽螺旋管和光管螺旋管壓降對(duì)比

3 結(jié)論

3.1以10MPa、330K狀態(tài)下的高壓水為介質(zhì)，得到光管螺旋管努塞爾數(shù)Nu值隨雷諾數(shù)Re的變化趨勢(shì)，并與文獻(xiàn)[7]實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比。結(jié)果表明：模擬值與實(shí)驗(yàn)值的變化趨勢(shì)符合較好。

3.2對(duì)光管螺旋管和橫紋槽螺旋管的換熱性能和壓降進(jìn)行比較分析。結(jié)果表明：橫紋槽螺旋管的努塞爾數(shù)Nu比光管螺旋管提高了5%～6%。這是因?yàn)闄M紋槽的存在，使得在它附近的湍流程度加強(qiáng)，導(dǎo)致傳熱效果明顯優(yōu)于光管螺旋管，另外橫紋槽結(jié)構(gòu)造成流體流道截面的不斷變化，導(dǎo)致流動(dòng)阻力增大，壓降增加。

3.3目前，繞管式換熱器管束均采用光管螺旋管，筆者提出了橫紋槽螺旋管結(jié)構(gòu)，使繞管式換熱器的傳熱性能具有較大的發(fā)展空間。今后可以通過(guò)對(duì)應(yīng)用于LNG液化工藝中的橫紋槽螺旋管相鄰凹槽之間的軸向距離m、槽深e及槽寬n等參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，達(dá)到提高傳熱和壓降綜合性能的效果，為高效率LNG繞管式換熱器的設(shè)計(jì)研究提供指導(dǎo)。

[1] Ferng Y M，Lin W C，Chieng C C.Numerically Investigated Effects Different Dean Number and Pitch Size on Flow and Heat Transfer Characteristics in a Helically Coil-tube Heat Exchanger[J].Applied Thermal Engineering，2011，36(1)：378～385.

[2] Jayakumar J S，Mahajani S M，Mandal J C，et al.Experimental and CFD Estimation of Heat Transfer in Helically Coiled Heat Exchangers[J].Chemical Engineering Research and Design，2008，86(3)：221～232.

[3] Rainieri S，Bozzoli F，Cattani L，et al.Compound Convective Heat Transfer Enhancement in Helically Coiled Wall Corrugated Tubes[J]. Heat and Mass Transfer，2013，59(1)：353～362.

[4] Yang G，Dong Z F，Ebadian M A.Laminar Forced Convection in a Helicoidal Pipe with Finite Pitch[J].International Journal of Heat and Mass Transfer，1995，38(5)：853～862.

[5] Zachar A.Analysis of Coiled-tube Heat Exchangers to Improve Heat Transfer Rate with Spirally Corrugated Wall[J]. International Journal of Heat and Mass Transfer，2010，53(19/20)：3928～3939.

[6] Shokouhmand H，Salimpour M R.Optimal Reynolds of Laminar Forced Convection on a Helical Tube Subjected to Uniform Wall Temperature[J]. Heat and Mass Transfer，2007，34(6)：753～761.

[7] Seban R A，Mclaughlin E F.Heat Transfer in Tuber Coils with Laminar and Turbulent Flow[J].International Journal of Heat and Mass Transfer，1963，6(5)：387～395.

[8] Rogers G F C，Mayhew Y R.Heat Transfer and Pressure Loss in Helically Coiled Tubes with Turbulent Flow[J]. International Journal of Heat and Mass Transfer，1964，7(11)：1207～1216.

[9] Mori Y，Nakayama W.Study on Forced Convective Heat Transfer in Curved Tubes(2nd Report，Turbulent Region)[J].International Journal of Heat and Mass Transfer，1967，10(1)：37～59.

[10] Mori Y，Nakayama W.Study on Forced Convective Heat Transfer in Curved Tubes (3nd Report，Theoretical Analysis under the Condition of Uniform Wall Temperature and Practical Formulate)[J].International Journal of Heat and Mass Transfer，1967，10(5)：681～695.

[11] Jayakumar J S，Mahajani S M， Mandal J C，et al.Experimental and CFD Estimation of Heat Transfer in Helically Coiled Heat Exchangers[J].Chemical Engineering Research and Design，2008，86(3)：221～232.

2016-11-23，

2017-09-16)

(Continued from Page 536)

AbstractThe application of clamping connection, tooth-locked connection, wholly tooth-locked connection and that connection with flat-cover shear ring for pressure vessels were analyzed and compared to show that, many factors have to be taken into account when quick-opening structure is adopted for pressure vessels, including giving full consideration to the safety and reliability in their application.

Keywordspressure vessel, quick-opening structure,“O” ring, rigidness

StudyonHeatTransferPerformanceofHigherPressureWaterinWoundTubeswithTransverseGrooves

WANG Xiao-juan, LI Qing-sheng

(SchoolofMechanicalandPowerEngineering,NanjingTechUniversity)

In this paper, having FLUENT software adopted and high-pressure water taken as the medium to analyze both heat transfer and pressure drop within the smooth wound tube and that with transverse grooves were implemented to show that, the heat transfer performance of the wound tube with transverse grooves outperform that of the smooth wound tube, so does its pressure drop.

wound tube heat exchanger, smooth wound, wound tube with transverse groove, heat transfer performance

江蘇省六大人才高峰項(xiàng)目(2014-ZBZZ-013)。

王小娟(1988-)，碩士研究生，從事?lián)Q熱器的傳熱強(qiáng)化和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研究。

聯(lián)系人李慶生(1969-)，副教授，從事結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和高效傳質(zhì)傳熱設(shè)備的研究，lqsh@njtech.edu.cn。

TQ051.5

A

0254-6094(2017)05-0564-05