高低双螺旋片强化套管换热器壳侧换热

李雅侠，张腾，张春梅，张丽，吴剑华（沈阳化工大学能源与动力工程学院，辽宁 沈阳 04；沈阳化工大学化学工程学院，辽宁 沈阳 04）



高低双螺旋片强化套管换热器壳侧换热

李雅侠1，张腾1，张春梅1，张丽2，吴剑华1
（1沈阳化工大学能源与动力工程学院，辽宁 沈阳 110142；2沈阳化工大学化学工程学院，辽宁 沈阳 110142）

摘要：采用实验和数值模拟相结合的方法，研究了高低双螺旋片对套管换热器壳侧的强化换热效果。以仅带有高螺旋片的换热器结构为基础，研究了曲率ε分别为0.44、0.321和0.131时，Reynolds数在4000～20000范围内，低、高螺旋片高度之比l/W对壳侧换热平均Nusselt数Num和流动阻力系数f的影响，考察了等泵功条件下换热器的综合传热性能。对ε=0.44的换热器研究结果表明：当l/W＞1/2时双螺旋片强化传热效果显著，且研究工况中l/W=3/4时最优，此时与单一高螺旋片相比，Num值平均提高了10.8％；研究范围内，综合强化传热因子PEC数在1.044～1.204。对不同曲率换热器的研究结果表明，同一l/W值下，PEC数随着曲率ε值的增大而增大，说明双螺旋片结构更适合强化曲率较大的套管换热器壳侧换热。

关键词：双螺旋片；强化传热；套管换热器；数值模拟

第一作者：李雅侠（1977—），女，博士，副教授，研究方向为流体流动、传热及过程强化。联系人：吴剑华，教授，博士生导师。E-mail syhgdx_wjh@163.com。

套管换热器结构简单、承压能力强，在化工、动力、制药等领域应用广泛，其壳侧的强化传热研究具有重要的工程实际意义。如当壳侧热阻较大时，强化壳侧换热可大幅提升换热器整体传热性能。此外，当管程完成的是某种化学反应时，严格的温度控制是产品质量的重要保证，此时需要壳侧具有高效的传热能力以实现管程反应热的快速移出。当前采用异型内管或在内管外壁增加翅片是常用的壳侧强化传热方法[1-3]，其中在内管外壁安装螺旋翅片不但增加了传热面积，同时增加了流场的扰动，提高了换热[4-5]。王定标等[6]的研究结果表明，螺旋翅片的升角越小，其强化传热的效果越好，但流动阻力显著增加。因而从综合强化传热效果考虑，换热管长度一定时，不能仅依靠减小螺旋片升角（或螺距）的方法来强化套管换热器壳侧的传热。针对上述问题，吴静秋等[7]研究了不同高度的螺旋隔板对壳程流体传热的影响，发现隔板高度为1/2～3/4螺距时综合换热性能最佳。张丽等[8-9]采用螺旋片复合涡发生器的方法强化套管换热器的壳侧传热，指出涡发生器更适宜在小曲率套管换热器内工作。本文以已有的研究工作为基础，提出采用双头螺旋片强化套管换热器壳侧的传热，即在高螺旋翅片之间安装不同高度的同向螺旋的低翅片。以仅带有单一高螺旋片的套管换热器壳侧结构为基础，采用实验和数值模拟方法考察高低双螺旋翅片对不同曲率的套管换热器的强化传热效果。本文的研究可为丰富套管换热器强化换热的研究提供理论依据和实验基础。

1　实验系统与数值模拟

1.1实验装置

实验系统及装置如图1所示，主要由旋涡气泵、冷却器、涡轮流量计、压差传感器、热电偶、实验管段以及相关连接管道和阀门组成。实验中套管换热器管程的供热介质为水蒸气，通过电加热的锅炉产生，由上至下在管内冷凝供热。壳侧冷却介质为空气，经过冷却器冷却后由涡旋气泵鼓入壳侧，其流量和温度的测量分别通过安装在入口的涡轮流量计和热电偶测量获得。空气在壳侧由下至上与管侧水蒸气进行间壁式换热升温，在出口处经热电偶测量温度后放空。壳侧压降通过入口处安装的压差传感器获得。套管换热器内管与螺旋片材质均为紫铜，外管材质为不锈钢，为了减少热量损失，在外管外壁敷设保温材料。壳侧壁温的获得通过沿换热器内管外壁布置6对铜-康铜热电偶获得（热电偶在图中未全部标示出）。实验中温度和压力的测量数值全部由数据采集系统直接获得。

图1　实验系统简图

安装高低双头螺旋片的套管换热器的物理模型可简化为，高螺旋片从内管的外壁延展到外管的内壁，构成矩形截面螺旋通道，不同高度的低螺旋片安装在矩形通道内管外壁的中间位置，如图2所示，图中W为高螺旋片的高度，l为低螺旋片的高度，b为螺旋片的厚度，H为流道的高度，P为螺旋片的螺距，D为壳侧内径，d为内管外径。

图2　壳侧流道简化示意图

1.2数值模拟

以空气为工作介质，采用CFD软件Fluent对不同曲率的安装双螺旋翅片的套管换热器壳侧的传热性能和阻力特性进行数值模拟。换热边界条件为内管外壁为恒定壁温Tw=373K，采用速度入口和压力出口的边界条件。应用Realizable k-ε湍流模型，压力和速度的解耦采用Simplec算法[10]，采用二阶迎风格式离散动量方程和能量方程，各变量的收敛残差取为10−6。经过网格独立性实验，选用网格间距为1mm可以满足计算精度要求。

1.3数据的处理方法

为了研究双螺旋片结构对套管换热器的强化传热效果，以仅带有单一高螺旋片的套管换热器的壳侧结构为基础，根据矩形截面螺旋通道结构，定义曲率e为式(1)。

其中当量直径de定义如式(2)。

量纲为1参数Re、Num和f定义如式(3)～式(5)。

式中，Num为套管换热器壳侧平均努塞尔数；f为流动阻力系数；Δp为空气进出口的压降；Δl为以矩形横截面内壁中心线计算的螺旋流道长度；um为流体的截面平均速度，即um=qv/A；A为横截面积，则平均换热系数α可以定义为式(6)，其中空气平均温度差Δtm见式(7)。

式中，tin和tout分别为空气进出口的平均温度；tw为内管外壁面的平均温度；F为传热面积，F=其中Ff为高低螺旋片的上下两侧面的面积，ηf为螺旋片散热效率，见式(8)。

式中，λf为螺旋片的热导率。本实验中螺旋片的材质为高导热性能的紫铜，故ηf的值接近于1。

为了分析不同曲率下，双螺旋片对套管换热器的强化传热效果，本文对8种结构的换热器进行了研究，其具体结构参数见表1。其中SF表示仅采用单一高螺旋片强化传热的换热器，DF表示采用高低双螺旋片强化传热的换热器。

表1　换热器的结构参数

2　实验与模拟的比较

为了验证数值模拟结果的准确性，图3和图4分别给出了SF和DF2型换热器壳侧平均Nusselt 数Num以及流动阻力系数f的实验和数值模拟结果的对比。分析结果表明，Num的实验值和数值模拟值的最大偏差为11.9％，平均偏差为7.7％；f值的最大偏差偏为5.5％，平均偏差为3.8％。可见本文的数值模拟方法是可靠的。造成数值模拟与实验存在偏差的可能原因有：实验中螺旋片存在导热热阻温度达不到模拟所设定的恒壁温，导致Nu值存在

图3　Num模拟值与实验值的对比

图4　f模拟值与实验值的对比

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

3　结果与分析

3.1传热性能

图5给出了ε=0.440时不同低、高螺旋片高度之比l/W值下平均Nusselt数Num的变化曲线，可以看出，壳侧安装了高低双螺旋片的套管换热器的Num值均高于仅安装单一高螺旋片的Num值，说明高低双螺旋片的强化传热效果要优于单一高螺旋片。这是由于加入低螺旋片后，一方面增大了传热面积；另一方面低螺旋片对流场起到扰动作用，进一步增加了流体的湍动程度，强化了换热。同时可以看出，研究范围内，随着l/W值的增加，套管换热器的换热性能也在逐渐增强。当l/W≤1/2时，Num值增加幅度较小；而当l/W>1/2时，Num值显著提高，特别是当l/W=3/4时换热效果增强最为显著。分析结果表明，此时与仅安装单一高螺旋片的SF型套管换热器相比，Num值平均提高了10.8％，最大提高了13.1％。

图5　ε=0.440时l/W对传热性能的影响

3.2流动阻力

为了研究低、高螺旋片高度之比l/W的变化对换热器壳侧流动阻力Δp的影响，图6和图7分别给出了当ε=0.440时，不同l/W值下，换热器壳侧总的流动阻力Δp以及阻力系数f的变化曲线。从图6中可以看出，安装双螺旋片的套管换热器与安装单一高螺旋片的换热器相比，流动阻力Δp均有不同程度的增加，且Δp随着l/W值的增加而逐渐增大。然而随着l/W值的增加，由于流道的当量直径de逐渐减小，阻力系数f则随着l/W值的增加而呈现下降的趋势，如图7所示。

3.3综合换热性能评价

为了考察等泵功条件下，双螺旋片结构的套管换热器综合换热性能的优劣，采用综合强化传热因数PEC数对其进行评价，PEC数定义为式(9)。

图6　ε=0.440时l/W对压降Δp的影响

图7　ε=0.440时l/W对阻力系数f的影响

图8　l/W值对PEC数的影响（ε=0.44）

式中，Num和f为带有高低双螺旋片的套管换热器壳侧平均Nusselt数和流动阻力系数，而Nu0和f0则为对应的仅带有高螺旋片的套管换器的值。图8中给出了曲率ε=0.44值时不同l/W值下套管换热器的PEC数随雷诺数Re的变化曲线，可以看出研究范围内PEC数均大于1，在1.044～1.204，说明高低双螺旋片的综合强化传热效果要优于单一的高螺旋片。同时可以看出当l/W＞1/2时PEC值明显提高，说明当低螺旋片高度大于高螺旋片高度的一半时，高低双螺旋片的综合强化传热效果才会更显著。所研究的工况中，l/W=3/4时即DF3型换热器的综合强化传热性能为最佳。这是由于当低螺旋片的高度较小时，其对流场的扰动作用较小，对原有的流场改变亦不明显，因此强化传热效果不显著。随着低螺旋片高度的增加，不但传热面积增大，而且高低螺旋片之间的流体在离心力的作用下，有助于二次涡的形成，促进强化传热。此外，低螺旋片和换热器外管内壁之间的间隙逐渐减小，从此间隙通过的流体会以较高的速度冲击其后的流场和高螺旋翅片，也会对换热起强化作用，已有的研究结果[11-12]也表明适当尺寸的缝隙流动会有助于强化传热。

为了考察高低螺旋片对不同曲率的套管换热器的强化传热效果，在曲率ε分别为0.440、0.321、0.131的仅带有单一高螺旋片的套管换热器壳侧安装低螺旋片，其中低、高螺旋片的高度之比l/W均选取为3/4，即表1中的DF3、DF6和DF7换热器，数值计算得到PEC的计算结果如图9所示。可以看出，同一Re数下，ε值越大，PEC值越高，说明高低双螺旋片结构更适宜强化大曲率套管换热器壳侧的换热。

图9　曲率ε对PEC数的影响（l/W=3/4）

4　结论

（1）与单一高螺旋片结构相比，高低双螺旋片可以更好地强化套管换热器壳侧的换热。

（2）对于ε=0.44的换热器，低、高螺旋片高度比l/W大于1/2时双螺旋片强化传热效果显著。

（3）曲率ε=0.44时，安装高低双螺旋片套管换热器的PEC值在1.044～1.204，研究工况中l/W=3/4时，综合强化传热效果最佳。

（4）相同l/W值条件下，换热器的曲率ε越大，高低双螺旋片的综合强化传热效果越显著。

符 号 说 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

中图分类号：TK 172

文献标志码：A

文章编号：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。

基金项目：国家自然科学基金（51506133）、辽宁省教育厅项目（L2014165）及辽宁省博士科研启动基金项目（20141085）。