最终--螺旋槽管强化换热.doc

螺旋槽管强化换热陈忠 石景祯（杭州沈氏换热器有限公司）摘 要：基于同轴螺旋套管换热器的三维模拟，对螺旋槽管强化换热机理进行了详细的分析。得出螺旋槽管与光管相比换热效果有很大提高的结论，并提出了螺旋槽管在做管外冷凝时仍有很大的优化空间。关键词：螺旋槽管 同轴套管换热器 三维模拟 强化换热 杭州沈氏1、引言由于工业大生产的出现，使传热节能问题摆在了人们的面前。在实际工业生产中，引用强化传热技术最多的便是换热器。换热器在工业生产中不仅是保证工程设备正常运行不可缺少的部件，而且在金属消耗、动力消耗和投资方面占整个工程的重要部分。研究各种换热过程的强化问题，设计制造出高效紧凑式换热器，不仅是现代工业发展过程中必须解决问题，同时也是发展节能和开发新能源的迫切任务。2、螺旋槽管在同轴套管换热器中的应用在套管换热器中引用的强化换热方法是螺旋槽管的应用。螺旋槽管结构是在圆管的表面滚压出螺旋形凹槽，在管内形成螺旋形凸肋的异形管。主要结构参数有螺旋管的成型外径、通孔、槽深h、槽宽e、螺距p和螺旋角等，根据压制时的螺纹头数可分为单头和多头的形式。螺旋槽管用于强化管内气体或液体的传热、强化管内液体的沸腾或管外蒸汽冷凝。见图1多头高效螺纹管轴剖面图。图1 多头高效螺纹管轴剖面图传统理论螺旋槽管的强化机理为以下几个方面：1）、螺旋槽管的螺旋槽结构大大增加了单位管长的换热面积，使整个换热器的的结构更加紧凑。增加换热面积是最有效也是应用最广泛的一种增强换热的方法。2）、螺旋槽管的螺旋结构使流体在管内或管外流动时沿螺旋槽旋转前进大大加剧了流体的湍流程度。近壁区螺旋前进，带来流体的局部二次流，加强了流体的扰动。3）、螺旋槽加大了流动阻力，逆压梯度造成了边界层的脱离，加强了中心换热差部分的流体与外部的流体的混合。3、螺旋槽管换热模拟3.1 同轴螺旋套管管外冷凝流动和换热三维模拟。1）几何模型和网格划分仅模拟管外流动，考虑到温度发展对冷凝影响很大，此次模拟的管长较长，达700mm。主要参数如下：螺旋管外径：30mm外管内径：34mm管长：700mm螺距：70mm采用Tet/Hybird 网格，网格总数47992。2） 工况参数工况A模拟刚开始冷凝的情况，入口为纯气相R22，温度314K，壁面温度根据热阻大致估算为308K。重力方向-y方向。由于湍流模型在相变时很容易导致湍流粘度（Turbulent viscosity）发散，此处采用的是层流模型，这会带来一定误差，但对于定性观察问题不大。图2为水平螺旋槽管外冷凝初期气液分布情况。工况B模拟已有较多液相出现的情况。入口汽液质量比为1:1，温度314K，壁面308K，k-湍流模型。重力方向-y方向，这个工况不考虑相变。图3为管外流体冷凝后期气液分布情况。由图2可以看出在冷凝初期，由于冷凝出的液体较少，冷凝液滴（黄色部分）由于螺旋流动产生的离心力的作用大部分附着于外管壁，这样使内管外表面即换热面最大程度的裸露出来与气体接触，从而大大增加了有效换热面积。冷凝后期见图3，液相较多形成液膜后，由于重力和张力作用大多集中在流道底部或螺旋槽底，保证仍有一部分壁面与蒸气直接接触。 图2冷凝初期气液分布情况 图3冷凝后期气液分布情况3.2 同轴螺旋套管管内液相流体流动和换热三维模拟。1）几何参数螺旋槽管外径：30mm螺距：70mm螺纹管长：100mm2）工况参数工质：水入口速度：1.5m/s入口温度：303K入口湍流度（Turbulence Intensity）：5%入口湍流特征长度（Turbulence length scale）：0.001m恒壁温条件：313K 图4管内流体速度矢量分布图 图5管内流体速度分布云图对管内流体换热情况，图4为管内流体速度矢量分布图，图5为管内流体速度分布云图。由图4可以看出内部流体沿内管壁螺旋槽附近的旋转前进中心部分的基本不旋转，与普通光管相比旋转部分的流体加强了与内管外流体的换热。同时由图6管内流体温度分布云图也可以看出沿管壁螺旋槽部分温度较高与管外流体换热效果较好。基于此模拟螺旋槽管比等面积光管平均换热系数提高约18.3%。图6管内流体温度分布云图4、螺旋槽管的优化空间从上面流体在同轴套管内的流动状态和温度分布可以看出螺旋槽结构增加了换热面积，加剧了流体的扰动和混合，有效的强化了换热，特别是管外流体旋转流动使内管外冷凝液体附着与外管内表面，减小了热阻增加了有效换热面积。由图5和图6可以看出螺旋槽的槽顶的温度与速度边界层都比槽底要厚，根据模拟结果槽顶与槽底的表面换热系数可相差40%。槽顶的空间如果过于狭窄会造成流动死区影响换热。如果螺旋槽完全闭死或是过宽则表面趋于光管，所以螺旋槽的槽宽是影响螺旋管换热的重要因素之一。对于管内流体螺旋管结构只提高了靠近管壁部分的流体的换热，对于中心部分流体影响较小，所以提高中间流体扰动（注：本公司已经申请多项专利），减小内管管径可以更好的提高换热效率，但同时也会增加流体阻力。5、结论螺旋槽管在管外冷凝时增大了换热面积，加剧了流体的扰动；且流体沿其旋转前进的流动方式，使液滴附着于外管壁，减小了气体冷凝热阻，能有效强化传热，提高表面换热系数。随着我们对它的深入研究，发现其还有很大的改善空间。参考文献：1 林宗虎，强化换热极其工程应用。北京：机械工业出版社，1987。2 阎皓峰、甘永平，新型换热器与强化传热。北京：宇航出版社，1991。3 李玉柱、贺五洲，工程流体