换热管内插螺旋强化传热的数值模拟

冯修燕，张治坤

换热管内插螺旋强化传热的数值模拟

冯修燕，张治坤

（湖南化工职业技术学院，湖南株洲 412000）

换热管内插入钢丝螺旋改变了管内的流动状态。通过数值模拟，研究内插螺旋换热管内速度场与温度场的分布特性，对空管和内插螺旋换热管进行了比较。模拟结果表明，在相同条件下，内插螺旋能够有效地改善换热管内速度场和温度场，验证了管内插螺旋是提高换热性能的有效手段。

换热管；螺旋；强化传热；数值模拟

污垢的存在［1］，不仅缩短了换热器的使用寿命，还使得传热效率大幅度降低，最终影响企业生产效益，造成重大经济损失。

对于管式换热器，换热管内侧污垢热阻的存在，大大增加了传热的阻力，使总的换热系数减小，换热效率降低。管内插钢丝螺旋线圈是管式换热器强化传热的一种重要手段，在节能领域具有一定的工程应用价值［2］。

1　换热管内插螺旋强化传热理论分析

管内侧传热主要与管内流体热边界层有关，热边界层越薄越有利于强化传热，通过管内插螺旋线的数值模拟的分析，螺旋的存在可以抑制污垢的产生和减薄热边界层，从而能够强化传热。

管内插螺旋［3-5］可以很好地扰动管内接近壁面出的流体，使流体在流经螺旋时产生漩涡，加强了整个径向截面内的流体混合，提高了管内的雷诺数。流体由于受到螺旋钢丝的阻挡，在径向方向上会产生一定的流速，这个流速方向与传热的方向是平行的，因此可以很好地强化管内流体在径向截面上的热量传递，起到了很好的强化传热效果［6］。

2　换热管内插螺旋数值模拟及结果分析

通过Fluent2.0软件数值模拟空管与内插螺旋换热管某一段截面上的速度、温度、压力云图并进行对比分析。所选取换热管长度内径均相同，进出口边界条件设定一致，假设壁面为恒温边界，对流场加热。图1为换热管的计算模型图。

图1　换热管的计算模型图

截取两根换热管中间部分的管段进行研究，如图2所示，对该段垂直于坐标轴x方向的中性面即x=0截面进行研究。

图3为所选取管段x=0截面的速度云图，（a）为空管的速度流场，（b）为管内插螺旋的速度流场。从流速云图可以看出螺旋的存在对流场产生了影响，内插螺旋使得最大流速增加。空管的流场变化均匀，从壁面往管轴心方向，流速大小一层一层增加直到最大流速不变，中心处流速最大且范围基本不变；内插螺旋所产生的流场层状感不强较混乱，最大流速已发生在中心处，可以看到位于壁面与钢丝螺旋之间的颜色变深，说明该位置处边界层受到螺旋的影响。将该小段左侧边界线命名为入口，右侧边界线命名为出口，图4为入口与出口边的具体速度大小变化的坐标点，（a）对应为空管，（b）则为内插螺旋管。图4（a）空管的速度变化呈现抛物线，且入口与出口速度几乎相同；图4（b）管内插螺旋的径向方向速度大小发生变化，与图4（a）相比梯度增加，说明内插螺旋线减薄了流动边界层的厚度。

图3　速度云图

图4　进口与出口边界线的速度大小

图5为所选取段x=0截面的温度场云图，图5（a）为空管的温度场，图5（b）为内插螺旋管的温度场。温度场的变化情况基本与流场一致，可以看出内插螺旋线破坏了温度场的均匀性，螺旋的加入使得整体温度场得到了提高，意味着热量从壁面更多的传递到了流场。如图6所示，流动边界层与温度边界层发生减薄现象，壁面附近温度呈现梯度变化，可见管内插螺旋强化了管内传热。

图5　温度云图

图6 进口与出口边界线的温度大小

图7为此段出口截面的速度矢量图，由图7（a）空管可以看出流体保持直线流动；从图7（b）图管内插螺旋看出流体在出口产生了明显的旋流效果，多数矢量箭头线与管壁面呈一定角度，并非平行，说明这种旋流效果对管壁面有冲击作用。图8为从进口边界线发出的流线图，对比空管与内插螺旋图，明显看出螺旋的作用使得管内流场产生了强旋流效果，而这种强旋流效果对热量的传递具有强化作用。但是强旋流是以压力的损失作为代价，具体是否具有强化传热效果，需要对压力损失与热量传递强化进行综合考虑。据文献研究，管内插螺旋能够实现强化传热［7］。

3　结论

通过对换热空管和内插螺旋换热管进行数值模拟，对其传热性能进行比较分析，结果表明管内插螺旋减薄了流动边界层的厚度和温度边界层的厚度，螺旋的作用使得管内流场产生了强旋流效果，管内插钢丝螺旋的存在可以强化传热，为继续研究提供了依据。

图7　出口截面的速度矢量图

图8　入口边界线发出的流线图

［1］ 吴双应.污垢对换热器传热性能影响［J］.石油化工设备，2010，29（1）.

［2］ 杨善让，徐志明，孙灵芳.换热设备污垢与对策［M］.北京：科学出版社，2014.

［3］ 徐天华，崔乃瑛，谭盈科，等.开发管内插入物强化高粘液体传热的方法探讨［C］.1986：19.

［4］ 徐建民，熊雯，皮威，等.内插自振弹簧换热管传热性能试验研究［J］.石油化工设备，2010，39（3）：9-12.

［5］ P.Murugesan，K.Mayilsamy，S.Suresh，等.圆形管中填充带圆钉的螺旋状金属带时的传热和流动阻力研究［J］.中国化学工程学报（英文版），2010，18（6）：1038-1042.

［6］ 俞秀民，吴金香，俞天蓝，等.旋转螺旋除垢防垢技术研究［J］.化学清洗，2006，12（3）：34-37.

［7］ 易伟.冷却结晶设备管内自转螺旋自动清洗技术研究［D］.硕士论文，湖南工业大学，2008.

Numerical Simulation on Enhanced Heat Transfer of Pipe Inserted with Steel spiral

Feng Xiu-yan，Zhang Zhi-kun

The steel spiral inserted of pipe changes the flow state.Through numerical simulation，we studied the distribution characteristics of the velocity and temperature field，compared the empty tube and the inserted with steel spiral tube.Simulation results show that the inserted with steel spiral tube can effectively alter the speed and temperature field in the heat transfer tube under the same conditions，and also is an effective means to improve the heat transfer performance.

heat exchange tube；steel spiral；enhanced heat transfer；numerical simulation

TK124

B

1003-6490（2016）06-0093-02