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(武漢工程大學(xué) 機電工程學(xué)院， 湖北 武漢 430205)

熱交換器廣泛應(yīng)用于石油、化工、能源、動力、冶金等工業(yè)部門。隨著經(jīng)濟的快速發(fā)展，上述行業(yè)對熱交換器的性能要求也越來越高。探索各種強化傳熱技術(shù)，設(shè)計出新型高效緊湊的熱交換器，成為現(xiàn)代工業(yè)中亟待解決的課題之一，也是開發(fā)利用新能源、推進節(jié)能減排的迫切任務(wù)之一，而采用強化傳熱技術(shù)是實現(xiàn)這一目標(biāo)的最有效途徑。

自普朗特提出的邊界流概念在對流換熱問題中得到成功應(yīng)用以來，各種對熱交換器強化傳熱的研究層出不窮。從早先提出的基于邊界層流動的強化傳熱，到后來劉偉等人提出的核心流強化傳熱，管內(nèi)插入物一直是重點的研究對象。劉偉等人[1]著重研究了管內(nèi)插入十字形柵板在核心流區(qū)域?qū)Q熱的影響。楊坤等人[2]著重研究了管內(nèi)插入多孔介質(zhì)在核心流區(qū)域?qū)Q熱的影響。在以上研究中，主要對內(nèi)插柵板及多孔介質(zhì)進行了深入的研究，而對于內(nèi)插螺旋彈簧在核心流區(qū)段的研究卻很少。在管內(nèi)插入螺旋彈簧是一種典型而簡單易行的強化傳熱手段，具有成本低廉、操作方便、金屬消耗量很少的特點。在管內(nèi)插入彈簧后，管內(nèi)的流體在彈簧的阻礙作用下產(chǎn)生二次流，可促進邊界層流區(qū)與核心流區(qū)域進行充分的混合。

文中通過實驗和FLUENT模擬實驗裝置構(gòu)建數(shù)值模型計算這兩種方法，分析了不同圈徑螺旋彈簧管與光管的傳熱特性，同時實驗結(jié)果也驗證了數(shù)值模擬的結(jié)果，即內(nèi)插不同圈徑螺旋彈簧換熱管在核心流區(qū)域具有不同程度的強化傳熱優(yōu)勢。

1 傳熱特性實驗簡介

1.1 實驗方法

實驗時以冷水、熱水作為流體介質(zhì)，冷水走殼程，熱水走管程。使用溫度傳感器、壓力傳感器、電磁流量計等分別測量管程、殼程的進、出口溫度，進、出口壓力以及體積流量。依據(jù)所讀取的數(shù)據(jù)換算出強化傳熱特性，計算出雷諾數(shù)Re與努塞爾數(shù)Nu的關(guān)系。

1.2 實驗材料

光管規(guī)格(外徑×厚度×長度)為?20 mm×0.8 mm×1 820 mm。不同圈徑D的內(nèi)插螺旋彈簧規(guī)格(絲徑×節(jié)距×長度)為1 mm×6 mm×1 820 mm，材質(zhì)為普通碳素鋼，結(jié)構(gòu)尺寸示意見圖1。圖1中，Do為管道外徑，Di為管道內(nèi)徑，δ為光管壁厚，D為彈簧中徑，d為彈簧絲徑，t為彈簧節(jié)距，L為管子長度，mm。

圖1 內(nèi)插螺旋彈簧管尺寸示圖

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種彈簧中徑進行模擬計算，即D分別為12 mm、14 mm、16 mm。

1.3 實驗儀器

主要實驗儀器包括溫度傳感器、壓力傳感器和電磁流量計等。

1.4 實驗裝置

實驗裝置由高溫水回路、低溫水回路、測量控制系統(tǒng)和熱交換器4部分構(gòu)成，實驗流程見圖2。

1.5 實驗步驟

(1)安裝各種實驗儀器設(shè)備，檢查安裝無誤后，校正儀器誤差。

(2)熱水箱、冷水箱中充水。

1.水箱 2.離心泵 3.閥門 4.加熱用鍋爐 5.電磁流量計 6.壓力傳感變送器 7.溫度測量儀 8.實驗用設(shè)備 9.冷流出口 10.熱流出口 11.冷流入口 12.熱流進口圖2 內(nèi)插螺旋彈簧換熱管傳熱特性實驗流程

(3)打開控制柜的總電源開關(guān)，開啟各個控制開關(guān)，確認(rèn)能夠打開各實驗裝置。

(4)啟動熱水箱中加熱棒，通過數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)檢測管程溫度。當(dāng)管程溫度恒定在60 ℃左右后，維持熱水溫度恒定。

(5)開啟離心泵，使熱交換器殼程流體與管程流體流動，檢查實驗裝置的密封性。

(6)調(diào)節(jié)殼程流量，使殼程的冷水體積流量保持在8 m3/h左右。

(7)打開管程流量控制閥門，依次改變管程熱水的體積流量(0.4～1.4 m3/h),當(dāng)各溫度值基本穩(wěn)定不變時,記錄所有測量數(shù)據(jù)。

(8)依次更換熱交換器實驗?zāi)Ｐ?重復(fù)以上操作步驟,直到完成所有實驗。

1.6 實驗結(jié)果

圈徑分別為?12 mm、?14 mm、?16mm的螺旋彈簧插入換熱管后，在相同Re下，不同圈徑螺旋彈簧管內(nèi)與光管的傳熱特性比較曲線見圖3。

圖3 不同圈徑螺旋彈簧管與光管傳熱特性曲線

分析圖3：①不同圈徑螺旋彈簧管與光管傳熱特性對比。隨著管內(nèi)Re的增加，光管和內(nèi)插螺旋彈簧換熱管的Nu均呈現(xiàn)逐步增加的趨勢，并且不同圈徑內(nèi)插螺旋彈簧管的Nu增大的程度明顯高于光管。內(nèi)插入螺旋彈簧直徑分別為?12 mm、?14 mm、?16 mm的換熱管的平均Nu比光管的平均Nu增加幅度為5%～20%。②不同圈徑螺旋彈簧管之間傳熱特性對比。在相同Re情況下，內(nèi)插圈徑較大的?16 mm螺旋彈簧，彈簧圈徑貼近管壁面，換熱管的Nu較小，表明換熱管的換熱較弱。內(nèi)插圈徑較小的?12 mm螺旋彈簧，彈簧圈徑接近管子中心線位置，換熱管的Nu較大，表明換熱管的換熱能力較強。

2 傳熱特性數(shù)值模擬[3-17]

數(shù)值模擬采用FLUENT，使用內(nèi)插螺旋彈簧管作為強化傳熱管，分別進行了普通光管的傳熱分析、內(nèi)插螺旋彈簧管與普通光管的對比分析以及內(nèi)插不同圈徑螺旋彈簧管的對比分析，得出了內(nèi)插螺旋彈簧管在核心流區(qū)域強化傳熱的規(guī)律。

2.1 模型建立及網(wǎng)格劃分

對圖1所示的單根光管及內(nèi)插螺旋管進行模型建立。選用103 086個網(wǎng)格作為本次模擬實驗網(wǎng)格劃分的個數(shù)，網(wǎng)格劃分示意圖見圖4。

圖4 光管及內(nèi)插螺旋彈簧管網(wǎng)絡(luò)劃分示圖

2.2 邊界條件

(1)光管 入口邊界條件設(shè)置為速度入口，出口條件設(shè)置為自由出口。壁面換熱條件設(shè)置為恒定壁溫300 K。

(2)內(nèi)插螺旋彈簧管 管內(nèi)插彈簧表面設(shè)置為絕熱表面，其余初始條件與邊界條件的設(shè)置與光管完全相同。

(3)不同圈徑內(nèi)插螺旋彈簧 管內(nèi)插彈簧表面設(shè)置為絕熱表面，各組不同圈徑彈簧管初始條件與邊界條件的設(shè)置與光管完全相同。

2.3 湍流模型

考察本次模擬實驗Rei的取值范圍，在模擬實驗計算中采用標(biāo)準(zhǔn)的k-ε模型[3]。

2.4 模擬計算結(jié)果

2.4.1光管管內(nèi)速度場及溫度場

Rei=4 000時，光管管內(nèi)的溫度、速度分布云圖見圖5。

圖5 Rei=4 000時光管的溫度和速度分布云圖

從圖5a可以看出，光管管壁溫度較低，壁面附近溫度梯度較大，而在管道中間核心流區(qū)域流體的溫度梯度較小，說明換熱能力比較弱。

從圖5b可以看出，光管管壁速度較小，壁面附近速度梯度較大，而在管道中間核心流區(qū)域流體的速度梯度較小，說明流動的擾動性較小。

2.4.2內(nèi)插螺旋彈簧管內(nèi)速度場及溫度場

管內(nèi)雷諾數(shù)Rei=4 000條件下，內(nèi)插螺旋彈簧管的溫度、速度分布云圖見圖6。

從圖6可以看出，內(nèi)插螺旋彈簧管核心流區(qū)段因流體受到彈簧的擾動，管內(nèi)整個流場的溫度分布及速度分布均呈現(xiàn)比較均勻的特征。

圖6 Rei=4 000時內(nèi)插螺旋彈簧管內(nèi)溫度和速度分布云圖

比較圖5、圖6可知，內(nèi)插螺旋彈簧管的傳熱情況要明顯好于普通光管，由于在核心流區(qū)插入彈簧，對傳熱起到了強化的作用。

2.4.3不同圈徑內(nèi)插螺旋彈簧管內(nèi)傳熱性能

Rei=4 000時，換熱管內(nèi)分別插入圈徑為?10 mm、?16 mm彈簧管內(nèi)的溫度、速度云圖分別見圖7、圖8。

圖7 Rei=4 000時圈徑?10 mm內(nèi)插彈簧管管內(nèi)溫度和速度分布云圖

圖8 Rei=4 000時圈徑?16 mm內(nèi)插彈簧管管內(nèi)溫度和速度分布云圖

從圖7可以看出，管內(nèi)插入圈徑為?10 mm的螺旋彈簧在Rei=4 000時，彈簧較為靠近管中心線，對核心流區(qū)域的流動擾動比較大，整個內(nèi)插螺旋彈簧換熱管的溫度分布、速度分布更加均勻，說明具有較強的強化傳熱作用。

從圖8可以看出，管內(nèi)插入圈徑為?16 mm的螺旋彈簧在Rei=4 000時，彈簧較為靠近管壁面，對核心流區(qū)域的流動擾動有限，整個內(nèi)插螺旋彈簧換熱管的溫度分布、速度分布不夠均勻，說明強化傳熱作用有限。

2.5 綜合性能評價

采用綜合性能評價標(biāo)準(zhǔn)指數(shù)PEC對內(nèi)插螺旋彈簧換熱管核心流強化換熱進行評價，綜合分析在核心流區(qū)內(nèi)插螺旋彈簧對換熱的影響，PEC評估按照下式進行：

式中，Nu為強化管的努塞爾數(shù)，Nu0為光管的努塞爾數(shù)，f為強化管阻力系數(shù)，f0為光管阻力系數(shù)，量綱一。

根據(jù)模擬計算數(shù)據(jù)對內(nèi)插螺旋彈簧管的強化傳熱效果進行綜合評價，圈徑?10 mm內(nèi)插螺旋彈簧換熱管綜合性能評價圖見圖9。

圖9 圈徑?10 mm內(nèi)插螺旋彈簧管綜合性能評價圖

從圖9可以看出，①Rei=2 000～5 000時，PEC始終大于1，表明在該段范圍內(nèi)，采用強化傳熱技術(shù)是可行有效的。②Rei=5 001～10 000內(nèi)，綜合性能評價標(biāo)準(zhǔn)指數(shù)PEC小于1且呈現(xiàn)遞減趨勢，說明此時內(nèi)插螺旋彈簧管未起到綜合強化傳熱的效果。雖然在這一范圍內(nèi)，單純從換熱角度來考察內(nèi)插螺旋是具有強化傳熱效果的，但隨著流體流速的增大，內(nèi)插螺旋彈簧會使管內(nèi)流體的阻力系數(shù)迅速增大。根據(jù)PEC分析，此情況下的內(nèi)插螺旋彈簧管未起到綜合強化傳熱的效果。

不同圈徑情況下，內(nèi)插螺旋彈簧換熱管綜合性能評價圖見圖10。

圖10 Rei=4 000時不同圈徑內(nèi)插螺旋彈簧綜合性能評價圖

從圖10可以看出，Rei=4 000時，內(nèi)插螺旋彈簧圈徑在?6 mm、?8 mm、?10 mm、?12 mm內(nèi)，PEC呈現(xiàn)上升趨勢，且指數(shù)均大于1，說明內(nèi)插螺旋彈簧管均有不同程度的綜合強化傳熱的效果。內(nèi)插螺旋彈簧圈徑在?12 mm、?14 mm、?16 mm內(nèi)，PEC呈現(xiàn)下降趨勢，說明在該段范圍內(nèi)，彈簧圈徑過大，綜合傳熱性能反而下降，并未為管內(nèi)核心流區(qū)段起到很好的均勻作用，且彈簧圈徑越靠近壁面，這種不均勻性越大。

3 實驗結(jié)果與模擬計算對比分析

從實驗結(jié)果可以看出,與光管相比，①內(nèi)插不同圈徑?12 mm、?14 mm、?16 mm的螺旋彈簧換熱管都具有不同程度的強化傳熱作用。②在相同雷諾數(shù)Rei的情況下，內(nèi)插圈徑?16 mm螺旋彈簧換熱管的強化換熱情況較弱，而內(nèi)插圈徑?12 mm螺旋彈簧換熱管的強化換熱情況較強。

從數(shù)值模擬結(jié)果可以看出,①內(nèi)插螺旋彈簧管的傳熱情況要明顯好于普通光管。②在Rei=4 000下，內(nèi)插圈徑為?16 mm的螺旋彈簧換熱管具有一定的強化傳熱作用，而內(nèi)插圈徑為?10 mm的螺旋彈簧換熱管具有較強的強化傳熱作用。

對實驗?zāi)M計算結(jié)果采用綜合性能評價標(biāo)準(zhǔn)指數(shù)PEC進行評價可以看出,在管內(nèi)核心流區(qū)域插入螺旋彈簧的強化傳熱效果與插入彈簧的圈徑大小以及流體狀態(tài)有關(guān)，存在一個內(nèi)插螺旋彈簧的最優(yōu)值。在文中的研究條件下，不同圈徑內(nèi)插螺旋彈簧換熱管在Rei=4 000時，綜合性能評價標(biāo)準(zhǔn)指數(shù)PEC取得最大時的彈簧圈徑是?12 mm。內(nèi)插圈徑為?10 mm的彈簧換熱管，當(dāng)Rei由2 000逐漸增大到10 000時，綜合性能評價標(biāo)準(zhǔn)指數(shù)PEC先上升后下降，最優(yōu)值為1.21。

4 結(jié)語

通過FLUENT模擬方法和實驗方法，研究了內(nèi)插螺旋彈簧換熱管核心流的強化傳熱特性，實驗結(jié)果驗證了數(shù)值模擬的結(jié)果，這對后續(xù)研究及工程應(yīng)用有一定的指導(dǎo)意義。

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