（工程热物理专业论文）内置组合式扭带换热管内流动与传热的数值模拟.pdf

n u m e r i c a ls i m u l a t i o no ff l o wa n dh e a tt r a n s f e ri nh e a te x c h a n g e r t u b e sw i t hm o d u l a rt w i s t e dt a p e b y l ih a n g b e ( h e n a np o l y t e c h n i cu n i v e r s i t y ) 2 0 0 8 at h e s i ss u b m i t t e di np a r t i a ls a t i s f a c t i o no ft h e r e q u i r e m e n t sf o rt h ed e g r e eo f m a s t e ro f e n g i n e e r i n g e n g i n e e r i n gt h e r m o p h y s i c s c h a n g s h au n i v e r s i t yo fs c i e n c e & t e c h n o l o g y s u p e r v i s o r p r o f e s s o rj i a n gc h a n g w e i a p r i l ，2 0 1 1 长沙理工大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所 取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任 何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的 法律后果由本人承担。 作者签名：分氟 日期：2 o l1 年岁月2 1 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意 学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文 被查阅和借阅。本人授权长沙理工大学可以将本学位论文的全部或部分内 容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存 和汇编本学位论文。 本学位论文属于 l 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密囹。 ( 请在以上相应方框内打“) 作者签名：疹彳亏 日期：b 1 1 年岁月砂日 刷醛名萤啼 醐沙钳删，日 摘要 传热强化技术对提高换热设备传热性能与减少换热设备重量具有十分重要 的意义，扭带作为强化传热的主要措施之一，其相关的基础与应用研究一直备受 重视。 本文建立了不同余隙率及扭率的扭带换热管以及螺旋和直板组合式扭带换 热管的数学模型及物理模型，采用大型流体分析软件f l u e n t 中的r n g 舡模型分 别对它们进行数值模拟研究，通过观察换热管中流体的速度场、温度场、压力场 及流线图，分析了各种插入件换热管的换热特性及阻力特性，并在此基础上通过 综合性能评价标准分别对其进行综合性能分析，得出的主要结论如下： 同一尺e 数下，普通扭带换热管的肌数和厂数均随着扭带余隙率和扭率的 增大而减小；当扭带余隙率c r = 0 1 ，扭率y = 5 时换热管具有最佳的综合传热性 能，强化传热效果最明显。 对于内置螺旋和直板组合式扭带换热管，平均表面换热系数和压力损失均 随着螺旋段长度比例的增加而增大，螺旋段长度约占组合式扭带长度1 4 时，换 热管的综合强化传热性能最佳。组合式扭带直板段的宽度对n u 数影响不大，但 厂随着直板宽度的增加而增大。对于直板和螺旋间隔排列的组合式扭带换热管， 直板长度为螺旋长度1 5 - - - 2 倍时换热管能够发挥最佳的强化传热性能。 在整个模拟r e 数范围内，螺旋和直板组合式扭带的强化传热性能均优于 普通扭带，但在高尺p 数下，特别是当r e 数大于2 5 0 0 0 时，换热管中内置插入件 由于其强旋流，会产生较大的压力损失，从而使综合强化传热性能削弱，如果对 负荷有限制的话则不适宜采用插入件式换热管。 关键词：换热管；组合式扭带；换热特性；阻力特性：数值模拟 a b s t r a ct h e a tt r a n s f e re n h a n c e m e n tt e c h n o l o g yh a sv e r yi m p o r t a n ts i g n i f i c a n c et oi m p r o v et h e h e a tt r a n s f e rp e r f o r m a n c ea n dd e c r e a s et h ew e i g h to fh e a te x c h a n g ee q u i p m e n t ，t h er e l a t e d b a s i ca n da p p l i e dr e s e a r c ho ft w i s tt a p eh a sc a u g h tm u c ha t t e n t i o na so n eo fh e a tt r a n s f e r e n h a n c e m e n tm e a s l e s m a t h e m a t i c a lm o d e la n dp h y s i c a lm o d e lo fm a n yi n s e r th e a te x c h a n g e rt u b e sw e r e e s t a b l i s h e d ，t h ei n s e r ti n c l u d e ：t w i s t e dt a p eo fd i f f e r e n tc l e a r a n c er a t i oa n dt w i s tr a t i o ， m o d u l a rt w i s t e dt a p ew h i c hi sm a d eu ps p i r a la n ds t r a i g h t n l er e n o r m a l i z e dg r o u p ( r n g ) k - et u r b u l e n c em o d e lw a su s e dt os i m u l a t et h eh e a te x c h a n g et u b e t h ev e l o c i t yf i e l d ， t e m p e r a t u r ef i e l d ，p r e s s u r ef i e l da n ds t r e a m l i n e so fh e a te x c h a n g e rt u b e sa r eo b t a i n e da n d t h eh e a tt r a n s f e ra n dp r e s s u r e sd r o pc h a r a c t e r i s t i c sa r ei n v e s t i g a t e dt h r o u g ht h es o r w a r e f l u e n t o nt h i sb a s i s , t h ec o m p r e h e n s i v ep e r f o r m a n c ei sr e s p e c t i v e l yd e r i v e dt h r o u g ha n i n t e g r a t e dp e r f o r m a n c ee v a l u a t i o nc r i t e r i a , s o m ei m p o r t a n tr e s u l t sa n dc o n c l u s i o n sa r ea s f o l l o w s ： m 盹n u m b e ra n d f n u m b e ro ft h eh e a tt r a n s f e rt u b ed e c r e a s e dw i t ht h ei n c e a s i n g o fc ra n dy 1 1 1 eh e a tt r a n s f e rt u b ew h i c hf i tw i mt w i s tt a p eo fc l e a r a n c er a t ec r = o 1a n d t w i s tr a t i oy = 5h a st h em o s to b d o u sh e a tt r a n s f e re n h a n c e m e n te f f e c ta n dh c i l dt h eb e s th e a t t r a n s f e rp e r f o r m a n c e n eh e a tt r a n s f e re f f i c i e n c ya n dp r e s s u r el o s sa r ei n c r e a s e dw i t ht h ei n c r e a s i n go f s p i r a ll e n sf o rh e a te x c h a n g e rt u b e sw i mm o d u l a rt w i s t e dt a p e ，a n dh e a te x c h a n g e rt u b e s h a v et h eb e s th e a tt r a n s f e rp e r f o r m a n c ew h i l et h el e n g t ho fs p i r a la c c o u n t sf o r1 4o ft h e l e n g t ho fm o d u l a rt w i s t e dt a p e t h ew i d t ho fs t r a i g h th a v en om e a n i n gf o rn un u m b e r , h o w e v e r f i si n c r e a s e dw i t ht h ei n c r e a s i n go fw i d t h f o rt h et u b e sw i t l lt h em o d u l a rt w i s t e d t a p ew h i c ht h es t r a i g h ta n dt w i s t e dp l a c e di n t e v a i l ，t h et u b e sh a v et h eb e s th e a tt r a n s f e r p e r f o r m a n c ew h i l et h es t r a i g h ti s1 5o r2t i m e sa sl e n g t ha ss p i r a l ( 1 1 l em o d u l a rt w i s t e dt a p e sh a v eb e t t e rh e a tt r a n s f e rp e r f o r m a n c et h a nc o m m o n t w i s t e dt a p e si nt h ew h o l er a n go fr en u m b e rs i m u l a t e d d u et ot h es t r o n gs w i r lc a u s e db y t h ei n s e r ti nt h eh e a te x c h a n g e r , t h ep r e s s u r el o s si sh u g ew h i l ea th i g hr en u m b e r , e s p e c i a l l y w h e nr e 2 5 0 0 0 ，t h i sw o u l di m p a i rc o m p r e h e n s i v eh e a tt r a n s f e rp e r f o r m a n c e i ft h el o a di s l i m i t e d ，t h ei n s e r t - t a p eh e a te x c h a n g e ri sn o ts u i t a b l e k e y w o r d s ：h e a te x c h a n g e rt u b e ；m o d u l a rt w i s t e dt a p e ；h e a tt r a n s f e r ；p r e s s u r el o s s ； n u m e d c a ls i m u l a t i o n i i 目录 摘要i a b s t r a c t 】 i 第一章绪论 1 1 课题研究的背景和意义1 1 2 强化传热技术的研究进展。2 1 3 国内外插入件换热器的发展现状5 1 4 本文研究的内容一7 第二章内置扭带换热管的理论分析 2 1 内置插入件换热器的特点8 2 2 内置扭带的传热机理分析一8 2 2 1 水力直径的减小对强化换热的影响8 2 2 2 近壁区域流速增大对强化换热的影响1 1 2 2 3 流体的螺旋形流动对强化换热的影响1 2 2 2 4 二次流对强化换热的影响1 3 2 3 小结l5 第三章数值模拟的物理及数学模型 3 1 物理模型l6 3 1 1 螺旋扭带16 3 1 2 螺旋和直板组合式扭带1 7 3 2 数学模型及数值方法19 3 2 1 基本控制方程l9 3 2 2 网格划分2 2 3 2 3 物性参数的选取2 3 3 2 4 边界条件2 4 3 3 湍流数学模型2 4 3 3 1 标准加模型2 6 3 3 2r n gk s 模型2 7 3 3 3r e a l i z a b l ek - e 模型2 8 3 3 4 湍流数学模型的验证2 8 3 4 小结2 9 第四章数值模拟结果与分析 4 1 内置螺旋扭带流动与传热的数值模拟结果分析3 0 4 1 1 扭带余隙率对换热管内流动与传热性能的影响3 0 4 1 2 扭带扭率对换热管内流动与传热性能的影响3 3 4 2 内置螺旋和直板组合式扭带流动与传热的数值模拟结果分析3 5 4 2 1 螺旋和直板不同长度比例对流动与传热的影响3 5 4 2 2 直板不同宽度对流动与传热的影响3 6 4 2 3 螺旋与直板间隔排列对流动与传热的影响3 8 4 3 j 、结z 1 0 第五章内置组合式扭带换热管换热性能的综合评价 5 1 评价指标及标准4 2 5 1 1 评价指标的建立4 2 5 1 2 三种常用评价准则4 2 5 1 3 本文所采用的评价准则4 5 5 2 内置组合式扭带换热管的综合换热性能评价4 6 5 2 1 内置螺旋扭带换热管的综合换热性能评价4 6 5 2 2 内置螺旋和直板组合式扭带换热管的综合换热性能评价4 7 5 3 ，j 、结4 9 结论与展望 总l 右51 展望5 2 参考文献5 3 致j 射。5 6 附录a ( 攻读学位期间论文及专利发表情况) 5 7 1 1 课题研究的背景和意义 第一章绪论 随着社会的不断进步与科学技术的不断发展，现在人们越来越关心我们赖以 生存的地球，世界上大多数国家充分认识到了环境对我们人类发展的重要性【l 】。 经济的发展以及科技的进步为人类提供了优质的生活条件，但同时也使环境遭遇 到了一系列的问题，例如：能源短缺，环境污染等，这些造成了各国对能源激烈 的争夺。能源消费国必须学会提高能效，减少排放，减少化石能源消耗，减少对 能源出口国的依赖1 2 。】。“节能减排 是改善坏境条件，减少污染，解决能源紧张 问题的积极有效的措施之一，也是十一五规划的主旋律【4 l 。 在生产技术的各个行业中到处存在着温差，热量的传递也普遍存在着，换热 器的作用就是使热量从热流体传递给冷流体，从而实现热量的交换，因此换热器 广泛应用于化工、石油化工、动力、医药、冶金、制冷及轻工等行业吲。在不同 的生产工艺中换热器可作为冷凝器、蒸发器、省煤器、空气预热器、再沸器、冷 却塔等。冷凝器和蒸发器主要用在空调上，省煤器及空气预热器一般用在电厂锅 炉设备中，再沸器在塔设备中是提供汽液平衡的关键设备，冷却塔将高温水进行 降温冷却之后再循环运用。不管在哪个行业，换热器不仅能够保证工程设备的正 常运行，还起到了节约能源的作用。国外的工业炉一般都装有空气预热器，可将 空气的温度加热到4 5 0 , - - , 5 0 0 ( 2 ；工业窑炉是许多工业部门广泛采用的热工设备， 其能耗约占全国总能耗的1 6 ，余热资源十分丰富；加热炉中用空气预热器回收 烟气的余热，一般可节约燃料1 0 1 5 。玻璃熔炉的热效率一般为2 5 - - 4 0 ， 利用蓄热室余热空气后，其热效率可达5 0 - - - - 5 5 。化铁炉和干法水泥窑也通常 采用空气预热器余热提高空气温度1 6 。1 。换热器管道的种类有很多，在不同的场合 所需要的换热器管道也不同，合理设计的换热器不光能使设备工质温度达到运行 要求，还能够节约材料、资金以及能源、空间。 换热器的有多种分类方式，按照其工作的过程，可以把换热器分为三种，即 表面式换热器、蓄热式换热器和混合式换热器。表面换热器在工作过程中冷热流 体是互不接触的，被换热器壁面隔开，通过热量的传递实现冷热流体间的换热。 表面式换热器具有结构紧凑、冷热源密闭隔开及操作简单等优点，因此应用最为 广泛。风机盘管是典型的表面式换热器，可以在冬天送暖气，也可在夏天送冷气。 蓄热式换热器是换热面周期性的流过冷流体和热流体，当冷流体流过时，换热器 就将其本身的热量传递给冷流体，换热器处于冷却期；当热流体流过时，通过传 热方式热流体将其热量传递给蓄热式换热器，此时换热器处于加热期，常用于冶 金工业，如炼钢平炉的蓄热室；也用于化学工业，如煤气炉中的空气预热器或燃 烧室，炼油厂的蓄热式裂化炉；用于锅炉和燃气轮机中的回转式空气预热器也是 一种典型的蓄热式换热器。混合式换热器是使冷热流体相互接触和混合进行热量 交换的，同时进行着传热和传质过程，除氧器和冷却塔就是这种换热器【1 1 工程中大部分的换热器是表面式换热器，所以怎样提高表面式换热器的强化 换热效果成为国内外学者研究的重点。传热方程式可表示为： q = k a a t ( 1 1 ) 式中k - 传热系数，w ( m 2 k ) ； a 一表面换热面积，m 2 ： r 一冷热流体温差，k 。 提高换热器的强化换热效果就要提高单位时间单位体积的换热量q ，从传热 方程式中可以看出提高换热量有三种途径，即提高传热系数、增大换热表面面积 和增大冷热流体温差。当换热器表面换热面积和冷热流体温差一定时，只能通过 提高传热系数来强化换热了【，l 。换热器总传热系数表达式为： 1 k2 丁打l 2 ) + + j j l l 名 式中j 1 1 一热流体与管子间的对流换热系数，w ( m 2 k ) ； j i l ，一冷流体与管子间的对流换热系数，w ( m 2 k ) ； 万一管壁厚度，m m ； 名一管子导热系数，w ( m k ) 。 从式( 1 2 ) 可以看出，当采用的材料不变，提高管子冷热流体与管子间的 对流换热热系数是提高换热器总传热系数有效的措施。根据场协同原理可知，强 化传热的一种有效方法是减小速度矢量与温度矢量间的夹角1 1 0 1 提高工质的流动 速度，增加流体的扰动，使流体旋转产生二次流，破坏边界层，粗糙表面等都可 以提高对流换热系数 1 1 1 。 1 2 强化传热技术的研究进展 强化传热技术作为传热学中的一个重要课题，一直被研究者关注着。1 9 2 0 年， 板式换热器已经应用于食品工业中，但那时关于强化传热技术方面的研究还很 少。到1 9 5 0 年后，随着动力工业设备、航天工业及核电厂的发展，关于流体的 强化传热、工质的沸腾及凝结的研究开始增多。1 9 6 0 年后，世界性的能源危机加 速了强化传热技术的发展，强化传热开始成为一个专门的学科并得到了飞速发 展。到了19 8 0 年，各种紧凑式的换热器在石油、化工、航空、航天等工业部门 得到了较普遍的应用，强化传热被称为第二代传热技术。2 0 世纪9 0 年代后，强 化传热技术向第三代传热技术发展，三维肋管、旋涡离散机等开始得到广泛应用 2 u 2 刖】。进入二十一世纪以来，随着设备容量和换热器热负荷的增大，以及节能减 排工作的开展，强化传热技术得到了更蓬勃的发展。 强化传热技术主要目的就是提高换热设备单位体积单位时间内的换热量，其 方法有很多，下面总结几种主要的强化传热措施。 ( 1 ) 扩展换热面和增加人工粗糙度 在换热管管外扩展换热面，就构成了各种形式的肋片管，肋片一般加在流体 换热系数低的一侧，这样有利于管子内外两侧换热系数差别的平衡，以得到较高 的传热系数。肋片可以使管壁两侧温度更加接近，采用肋片管时，应考虑工质温 度的影响和材料腐蚀问题。陈鹏等【1 6 l 利用f l u e n t 对套片式肋片管换热器进行了数 值模拟，指出了肋片表面温度场是肋片管管壁温度和空气温度综合影响的结果， 并且拟合出了肋片管换热器干工况空气侧对流换热关联式。 扩展表面还有平滑圆形翅，开缝翅，冲孔且弯曲的三角形凸出物，分离扇形 翅和钢丝圈扩展表面。所有这些扩展表面都是通过金属丝线或者板条形成周期性 的涡区，增强传热元件间的热耗散，从而强化换热的。沈佳敏等f l 采用f l u e n t 对 空压机中间冷却器用开缝翅片和平直翅片的流动和传热进行了三维数值模拟，发 现开缝翅片对空气流动有较大扰动作用，在开缝结构附近产生大量涡流。李惠珍 等f l 。】对2 排x 型双向开缝翅片管换热器空气侧的传热及阻力特性进行了实验和数 值模拟研究，研究表明与单向开缝翅片和平直翅片相比，x 型双向翅片的性能更 好，开缝翅片能够有效强化传热的根本原因在于翅片开缝后改善了速度和温度梯 度的协同性。 粗糙表面是指管子或者通道的表面具有一定规律性的重复肋一样的边缘垂 直于流线方向的粗糙凸出微元体。粗糙表面的主要作用是增强流体的湍流强度。 耿铁等【- ，】对人为粗糙度强化换热机理进行了分析，并对模具外表面有无人为粗 糙度得冷却进行了数值模拟，结果表明在人为粗糙度可以有效的改变冷却流体的 流动结构，增加近壁区流体的湍流强度，提高换热效率。 ( 2 ) 流体旋转法 在工程实际中，能够使流体旋转起到强化换热作用的旋转流场设备主要有： 扭带插入物、静态混合器、旋流片、入口涡旋发生器、螺旋线圈、螺旋弹簧等。 各种旋流装置能够使流体旋转产生显著的离心对流作用，在流体加热时强化 传热，在流体冷却时则会产生相反的离心对流效应，起到削弱对流换热系数的效 果。 ( 3 ) 强化表面法及加添加物 强化表面法主要是靠提高沸腾传热的热流密度或者减小沸腾传热的温差来 强化沸腾传热。常用的表面强化方法有微结构表面、复合化学涂层表面、微孔表 面和水平双侧强化管。钟理等 2 0 1 对肋形隧道机械加工表面多孔管单管管外池沸腾 3 进行了实验研究，发现其能显著地强化液体管外沸腾传热。朱长新等 2 1 1 对三种强 化表面管束池沸腾换热特性进行了实验研究，表明各种强化表面管束池沸腾的强 化传热效果都优于光滑表面管束，并且多孔表面管束凹穴密度越大强化传热效果 越好。 加添加物法是在沸腾过程中加入液滴，流体中加入固体颗粒，沸腾液中添加 气泡，气体中加入液滴或者固体颗粒等其他相。 ( 4 ) 电场法 电场强化传热是一种主动强化传热技术，通过在流体中旅加电场，利用电场、 流场和温度场之间的协同作用达到强化传热的作用。 气体的电场强化传热通过电晕风实现，图1 1 为由针状电极与平板电极间的 电晕放电作用引起的流体流动示意图。针状电极为正极，平板电极为负极，周围 为空气，在高压电的作用下针状电极电离产生离子，离子在库仑力的作用下向平 板电极移动，移动过程中，正离子通过相互碰撞将动量传递给中性分子，从而产 生分子流，这就是电晕风。 针状电极 ( 电晕放电) 图1 1电晕放电示意图 在低雷诺数下，电晕风的强化对流换热作用效果比较好。雷诺数高时，由电 晕风引起的二次流远远小于主流速度，所以强化传热效果不明显1 2 2 1 。电晕风能够 改变流场分布，有利于速度场和热流场的协同。罗小平等 2 3 1 对光管、横纹管、缩 放管和螺旋管槽进行了高压电场强化空气对流传热实验，研究表明，当外加高压 大于1 5 k v 以后，速度场和温度场的协同作用最明显，综合传热效果最好，最大 强化率达到2 8 。 4 1 3 国内外插入件换热器的发展现状 强化传热的有效措施之一是强迫管内流体发生旋转流动，在工程应用中，常 采用管内插入物，如扭带、静态混合器、旋流片、螺旋线圈、螺旋弹簧等方法。 插入件的最大优点是加工及安装方便，有利于清除管内污垢。管内插入物的强化 传热技术以其不改变传热面形状、加工简单、不需要更换原有管壳式换热器等优 点收到国内外研究者的青睐。 国外从1 8 9 6 年就开始研究和应用管内插入物强化传热 2 4 1 。首先研究的管内 插入物为螺旋线圈，螺旋线圈由一定直径的铜丝或者钢丝按照一定节距绕制而 成。在插有螺旋线圈的管子内，流体在湍流强度较弱的近壁区域发生旋转，同时 还周期性的受到螺旋线圈金属丝的扰动作用，从而增强换热效果。由于金属丝横 截面积较小，流体的旋转强度也较弱，相应的流动阻力也较小。螺旋线圈强化传 热的研究多数在湍流下进行，不同研究者得出的结果也不尽相同。 n e w ij e y s u n d e r a ( 2 5 ) 用实验的方法测试了螺旋线圈插入件换热器的效果，结果表 明，利用螺旋线圈插入件换热器比普通换热器的换热效果要好。s l a l 2 e 】等对螺旋 线圈的主要研究情况做了介绍，并得出了结论：对直径为2 0 r a m 左右的管子，螺 旋线圈的最佳螺距在3 8 - - 8 9 r a m 之间。c e n g i zy i l d i z t 2 ，1 等研究了不同螺旋率螺旋 线圈插入件的换热及压降性能，发现h d = 8 时n u 数最大，并且随着r e 数的增大 而增大，效率也是在h d = 8 时达到最高，随着r e 的增大而逐渐减小，但是也相 应的增大了压力损失。董珊等【2 s 1 用实验的方法对螺旋线圈强化传热进行了研究和 理论探讨，发现螺旋线圈强化组件可以使紊流空气的传热得以有效增强。螺旋线 圈强化管的综合强化性能随着雷诺数的升高而降低。螺旋线圈线径较小，由此产 生的压力损失不大，但也正是由于螺旋线圈线径较小，故诱发流体旋转地能力较 弱。 螺旋片由在预先车出具有一定深度和节距的螺旋槽的心轴上绕上一定宽度 的薄金属片而制成。流体流过插入螺旋片的管子时，在近壁区域流体发生旋转， 从而强化了传热。管内插入螺旋片的强化传热机理是同时应用了使流体在管子内 部产生旋流流动和使流体在螺旋凸出物区域周期性地受到扰动的原理，因此具有 较高的传热性能。与扭带相比，螺旋片的优点是制造方便、金属消耗少以及能适 用于管内含有污物的情况，同时在相同换热量时阻力损失较小。内置螺旋片的换 热管内流体的n u 数和摩擦阻力因子f 都随着螺旋片的间距和螺距的增大而减小 【2 9 】o 静态混合器由一系列扭转1 8 0 0 的片状短组件组合而成，这些短组件按照一个 左旋接一个右旋的顺序进行排列，相互错开9 0 0 ，前一个组件和后一个组件用点 焊连接。流体流过静态混合器的组件时分离成两股或者多股，然后在接下来很小 的距离处又混合到一起，而后再次分离和混合，流体经过这样反复多次的分离混 5 合和正反方向的旋转，有效的增强了主流方向和近壁处流体的径向混合。因此， 管子截面上的速度和温度分布比较均匀，从而显著的强化了换热。但是，由于静 态混合器中流体不断的分离、混合以及正反方向的反复转向旋转，造成了很大的 动能损失，从而增大了阻力损失。因此，装有静态混合器的换热管只适用于层流 流动。孟辉波等 3 0 l 利用c f d 软件对静态混合器进行了数值模拟，发现其脉动速度 分布具有对称性和间歇性，并且流体在三个方向的速度分量的偏斜因子和平坦因 子分布呈周期性规则。喻九阳等【，- 】揭示了静态混合器内部流体流动的规律和机 理，对静态混合器的结构改造提供了依据。 扭带是一种最简单而又使流体旋转的旋流发生器。它是由薄金属片( 通常是 铝片) 扭转而成。扭带的扭转程度由每扭转3 6 0 0 的长度h ( 称为全节距) 与管子 内径d 之比来表征。h d 称之为扭率。通常见到的扭带有两种形式：( 1 ) 连续扭 带，即管道全长充满螺旋扭带；( 2 ) 间隔扭带。装有扭带的换热管其对流换热加 强的原因主要有：使管子的水力直径减小；边界层减薄；近壁处剪切应力 增大和二次流的产生。最先研究扭带理论的是s m i t h b e r g 和l a n d i s t 3 2 j ，他们从理 论方面考虑了由于旋流产生的导致增强热量从壁面向中部传输的各种不同因素， 例如壁面边界层的减薄、管内二次流产生的离心力作用、鳍效应等，理论研究和 实验结果一致。a g a r w a l t 和r a 0 1 - 1 用不同温度的油( p 厂数在1 9 5 到3 7 5 之间) 作 为介质，用实验的方法确定了n 数对同一壁面温度条件扭带插入件式换热管摩 擦系数和换热量的影响。s w c h a n g 等 3 4 1 研究了装有锯齿状扭带插入件换热管的 热交换和压力损失状况。在他们的研究中扭带两个边缘的锯齿同高同宽，扭带扭 率分别为1 5 6 、1 8 8 、2 8 l 及o o 。s e i a m s a t 等用三维数值模拟的方法研究了圆管 中松紧配合扭带插入件的温度场和速度场，分析了扭带强化换热机理，指出 c d = o 0 和o 1 的换热性能相当，但是c d = 0 1 的扭带摩擦阻力小了很多，综合 换热性能达到最好。s m i t he i a m s a a r d ，6 l 等还研究了圆管中插入不同长度扭带的换 热性能，研究发现强化传热效果随着雷诺数的增加和扭带长度的减小而降低，并 且分析得出，短扭带在入口处有较强的旋流强度，在流过扭带之后，旋流强度逐 渐降低，传热率也随之降低，流动趋于平稳，从换热性能和压力损失综合考虑换 热效果，全长扭带具有良好的使用价值。s m i t he i a m s a a r d t - 等对圆管中插入间隔 扭带插入件的换热性能和流动摩擦阻力进行了实验研究，发现，较小的间隔率比 较大间隔率的扭带插入件具有较好的换热性能，并且，间隔率为1 0 的扭带换热 性能和全长扭带相差不大，而具有较小的摩擦阻力，综合换热性能最好。文献 3 s i 对波纹管中插入扭带能否得到双重的换热效果做了实验研究，并且创建了简单的 数学模型，以预测其所产生的摩擦阻力因子和换热性能系数，这是对s m i t h b e r g 和l a n d i s 对光管中插入扭带数学模型的延伸和改进。赵海全等d 9 - 4 0 将9 根不同结 构参数的塑料扭带安置到换热管中，比较不同流速下的流体阻力和换热特性，通 6 过非线性回归分别得出转速和压降的实验回归公式，推导出了试验状态的摩擦阻 力系数和努赛尔准则数的关系型，得出与结构参数相关的转速关系型。并通过性 能评价，得到了强化传热准则数p 介于1 1 3 1 3 3 之间，说明塑料扭带作为强化 传热组件具有较高的应用价值。张琳等1 对自转扭带换热管被流体的运动进行了 分析，并根据流体在自转扭带管内的切向运动特点，提出了将自转扭带等效虚拟 于静止扭带的思路。建立了内置螺旋扭带换热管流体流动的三维物理模型，采用 c f d 软件f l u e n t 中的r n g 缸s 模型对其进行数值模拟。王泽宁f 4 2 l 等对管内扭带旋 流装置在不同扭带宽度下的传热与阻力性能进行了实验研究，并得到了传热与阻 力拟合式。 1 4 本文研究的内容 关于扭带方面的研究已经很多，然而目前国内外相关的文献数据显示，研究 者只注重单纯的一种形式的管内插入物所产生的效果，而没有关注两种甚至两种 以上不同形式的插入物相结合所得到的综合换热效果。全长采用扭带的换热管换 热效果好但是产生的压力损失也很大，在利用烟气热量损失的同时需要较多的有 用功，这样综合强化换热性能没有达到最好。本研究就扭带与直板两种插入件相 结合进行了深入的研究，以得出换热性能好而压力损失较小的换热管插入件，为 人们选择换热管插入件形式提供一种参考。 1 ) 首先分析内置插入件换热管的特点，在此基础上推导其强化换热机理并 分析水力直径、近壁区域流速、流体的螺旋流动及二次流对强化换热的影响。 2 ) 建立扭带和由直板和扭带组合而成的组合式扭带的物理模型并划分网格， 确定数学基本控制方程，物性参数及边界条件，用实验和数值模拟结果对比的方 法验证湍流模型。 3 ) 通过观察不同形式插入件换热管管内流体流动的温度场、速度场及压力 场，分析其换热特性和阻力特性。 4 ) 建立换热管强化换热综合性能评价指标和标准，分析了几种常用的评价 准则并确定了本文所采用的评价准则。利用评价标准，分析不同形式插入件换热 管的综合换热性能。 第二章内置扭带换热管的理论分析 2 1 内置插入件换热器的特点 强化传热技术分为有源强化技术和无源强化技术两种。有源技术是指需要消 耗外部能量的主动强化传热技术，主要包括震动强化法、机械强化法、静电场法 以及抽压法等；无源技术是指不需要消耗外部能量的被动强化传热技术，主要包 括粗糙表面法、装设强化组件法、表面特殊处理法以及加入扰动流体法。其中利 用在换热管内内置插入件的方法达到强化换热目的的强化换热技术属于无源强 化技术【4 3 l 。 内置插入件式换热器的换热特点是：流体流过内置插入件的换热管后会发生 旋转运动，增强了流体的切向流动速度，从而冲刷边界层，同时也加强了边界层 的扰动，减薄了边界层的厚度，提高了近壁处流体的湍流强度。流体的切向流动 也使边界层流体和主流体的混合加强，从而有效的增强了对流换热过程。 插入件式换热器在不改变换热器原有尺寸的前提下可以大幅提高其换热系 数，并且对其表面不会造成任何损害，因此插入件式换热器具有效率高、节能、 结构简单以及便于安装等优点【4 4 l 。 2 2 内置扭带的传热机理分析 内置螺旋扭带的管内流体对流传热得以强化的主要原因可分为以下几点： ( 1 ) 扭带的插入使管子的水力直径减小，从而导致换热系数的增大； ( 2 ) 扭带的存在使得近壁处流速加大，r e 数加大，从而增大换热： ( 3 ) 扭带的存在使得流体呈三维螺旋形状，增长了流体在管内流动的时间，从 而增强换热； ( 4 ) 二次流的存在，使近壁处流体和主流区域流体混合更为均匀，从而强化换 热。 2 2 1 水力直径的减小对强化换热的影响 水力半径为过水断面积与湿周之比，即 r h = a x ( 2 1 ) 式中a 一流道的横截面面积，m 2 ； x 一湿周，即湿周为过水断面上水流所湿润的边界长度，m 。 对于圆管来说，其水力半径为： 8 r h l = 夏a = 百l t d 2 4 = 詈 ( 2 2 ) d e - 4 r h = 警 ( 2 3 ) _ ，棚2n l 一旦 d e - 百4 a 。丽弋t - j 如函 万ld ( 2 4 ) 卟百4 a ；剿- 飞- - 4 - j ：。禹 。= 百= 而如而 7 t , nd ( 2 5 ) p ，：名三筐 ( 2 7 ) n 。= ：- 8 6 r e l ：3p r l 3 ( - 拿1 1 7 3 ( 老) 。1 4 c2 8 ， 层流时摩擦系数由下式计算： a = 6 4 r e 一1( 2 1 0 ) 对于插入扭带的换热管来说，一般采用当量直径d 。替代管子内径作为无量纲 参数的特征尺寸，即： 湍流： 层流： 综合上述式子可得： 湍流： 层流： 丝：o 0 2 3 ，盟1 0 8 k l 嘶= 0 0 7 9 1 ( 等一譬 堡k 乩8 6 ( 等) l ，3 p 一3 ( 堡l ) w 1 4l l l ，j 呼= 文等m - 五枷j - 7 - ；- n u = 0 0 2 3 r e o 8”4 学 n u = 1 8 6 氐叫( ( 2 1 1 ) ( 2 1 2 ) ( 2 1 3 ) ( 2 1 4 ) g o 2 l j ( 2 15 ) j t + 昙( 丢+ 五t ) - i ! 2 5 i l ( 2 1 6 ) j t + 昙( 丢+ 五t ) - + 吾( 丢+ 五t ) 式中尺p 的计算采用管子内径作为特征尺寸，其计算公式为： 1 0 ( 2 1 7 ) ( 2 1 8 ) 荨| 力 一i 以丁l d 苟o erl9700 丝廊 一i viil、 旦比 坐加 一i 彬丁一d r46 r e ：d p u , ( 2 1 9 ) 从上述公式可以看出在光管中插入扭带后，由于水力直径即当量直径的减 小，在一定质量流量的情况下，管内流速会增大，使传热努塞尔数n u 增大，从 而使管内对流换热得以强化，但是从以上公式也可以看出在n u 数增大的同时， 压力损失p ，也随即增大了，即流体流动的阻力增大了。 2 2 2 近壁区域流速增大对强化换热的影响 对于一定质量流量的换热管来说，扭带的插入使流体的流通截面积减小，根 据阻力最小原理，更多的流体将会流向扭带与管内壁之间的空隙区域，使得近壁 区域的流速加大 4 6 1 。 流体的连续性方程： f 等b t l 一：譬p 2 。， 【t 一胪下p 心卫w 所以对于内置扭带换热管来说，管内的轴向平均流速u b x 和光管的轴向平均 流速“之间的关系式为： u b x 剐z 蠹 q 2 1 ) l 一 n d 。 式中“h 一一扭带式换热管内流体的轴向平均流速； “厂一光管内流体的轴向平均流速。 考虑到插入扭带的换热管所引起的近壁区域流速的加强，将上式代入湍流及 层流状态下所得到的批数和p 厂关联式得： 湍流： 层流： n u = 0 0 2 3 r e o 8 p r o 4 1 + 嵋= 0 0 7 9 1 n 艄去譬 1 + 1 ，4 b t l 一n d 2 1 1 4 b t 卜万 ( 2 2 2 ) ( 2 2 3 ) + 一n 一)b1-d一诎一廊 ，一，一 一 2一万一l + 一玎一)bd一懈一力 ，一 一 2一万一 n u = 1 8 6 一价( 硝时1 4 嵋= 甜r e 。1 去譬 1 + 1 + ( 2 2 4 ) ( 2 2 5 ) 从上述公式可以看出：插入扭带的换热管由于扭带的阻塞效应所引起的近壁 区域流体的平均流速增大，使努塞尔数n u 得以增大，从而使传热得到了强化， 但是同时也相应的使摩擦阻力增大了。 2 2 3 流体的螺旋形流动对强化换热的影响 插入扭带的换热管内流体的流线呈三维螺旋形状，这样流体流动的路径将比 在光管中轴向平行的直线型流动的路径增长，而且螺旋形路径增长的长度与扭带 扭曲的程度即扭率有关，扭带扭曲的越厉害即扭率越小，流体流动的路径越长。 在一定质量流量的情况下，流体流动的路径增长，螺旋形流动的合成速度越大， 相应的流体的湍流强度也会越大，从