高压水在横纹槽螺旋管中的传热性能研究①

王小娟 李庆生

(南京工业大学机械与动力工程学院)

高压水在横纹槽螺旋管中的传热性能研究①

王小娟 李庆生

(南京工业大学机械与动力工程学院)

采用FLUENT软件，以高压水为介质分析了光管螺旋管和横纹槽螺旋管管内流体流动传热和压降性能。结果表明：横纹槽螺旋管的传热性能优于光管螺旋管，同时压降也高于光管螺旋管。

绕管式换热器 光管螺旋管 横纹槽螺旋管 传热性能

绕管式换热器相对于普通的列管式换热器具有结构紧凑度高、适用温度范围广、可用于高压环境、传热温差小、热应力能自身消除、适应热冲击及可同时进行多种介质的传热等优势。Ferng Y M等利用CFD方法分析了迪恩数De和螺距对绕管式换热器管程传热性能的影响，并通过实验数据验证该CFD模型的合理性[1]。Jayakumar J S等采用实验和数值模拟方法对螺旋管换热性能进行研究，结果表明恒定壁温和恒定热流率边界条件均有一定的误差，采用耦合传热计算方法后，实验和数值模拟结果吻合较好[2]。Rainieri S等实验研究了在光滑螺旋换热管和波纹螺旋换热管内的强制对流传热，结果表明：在低迪恩数时，两种结构的传热效果相近；高迪恩数时，波纹螺旋换热管传热效果强于光管[3]。Yang G等通过迪恩数De、扭曲和普朗特数Pr3个变量，采用数值模拟方法研究了在螺旋换热管内充分发展的层流对流传热[4]。Zachar A通过数值模拟分析了不同的几何参数和热边界条件对层流和过渡流传热速率的影响[5]。Shokouhmand H和Salimpour M R基于最小熵变原则，采用定壁温边界条件分析了螺旋换热管内的层流流动特性和传热性能[6]。Seban R A和Mclaughlin E F实验分析了水在螺旋换热管内层流和湍流状态下的传热特征，并给出了雷诺数Re范围为6 000～65 500、普朗特数Pr范围为2.9～5.7时的努塞尔数Nu公式[7]。Roger G F C和Mayhew Y R实验研究了螺旋换热管内的对流传热和摩擦系数，并提出了雷诺数Re范围为10 000～100 000、普朗特数Pr为7时的努塞尔数Nu公式[8]。Mori Y和Nakayama W通过理论和实验两种方法研究了在定热通量边界条件下弯管内的湍流传热，并对相同的模型以定壁温为边界条件研究其传热性能[9，10]。Jayakumar J S等通过实验和数值模拟两种方法研究了绕管式换热器在液-液之间管内的传热特征，分析了定壁温、定热通量和定对流系数3种边界条件对换热管CFD模型的传热影响，拟合的努塞尔数Nu公式适用的迪恩数De范围为2 000～12 000、普朗特数Pr范围为1.0～3.5[11]。

横纹槽管式换热器是20世纪70年代中期出现的一种高效换热器元件，可以显著强化流体的传热效果，目前为止对横纹槽螺旋管的换热性能研究较少。笔者进行横纹槽螺旋管与光管螺旋管的传热特性分析。

1 数值模拟

1.1物理模型

光管螺旋管的模型如图1所示，其中d为管直径，p为节距，D为缠绕直径，α为螺旋角。螺旋管的具体参数为：d=10mm，p=50mm，D=200mm。横纹槽螺旋管的模型如图2所示，是在光滑螺旋管的外壁滚轧出与管子轴线垂直的凹槽，其中m为相邻两个凹槽之间的轴向距离，e为槽深，n为槽宽。其具体参数为：m=47mm，e=0.3mm，n=1.04mm。

图1 光管螺旋管模型

a. 横纹槽螺旋管模型

b. 横纹槽放大图

1.2数学模型

笔者采用Realizablek-ε湍流模型，数学模型包括连续性方程、动量方程、能量方程：

在CFD分析中，可实现k-ε湍流模型，需要求解湍动能k和湍流耗散率ε：

YM

1.3网格划分

图3为横纹槽螺旋管光滑处和横纹槽处的网格示意图。由于螺旋管在流动过程中会产生二次流，近壁面处流动复杂，因此需要加密网格。但是，加密网格的同时，计算时间和计算机的内存会造成一定的限制。因此，笔者采用加强壁面函数，在保证计算精度的基础上节省计算时间。最终，进行网格无关性验证后，网格数量为1 912 320。

a. 光滑处

b. 横纹槽处

1.4数值方法和边界条件

使用CFD软件FLUENT模拟流体在螺旋管内的流动冷却传热，进口采用速度进口，出口采用压力出口，壁面为均匀热流。采用SIMPLC算法求解压力速度耦合方程。湍流脉动能方程采用一阶迎风格式，连续性方程、动量方程、能量方程和湍流耗散率方程采用二阶迎风格式。物性使用多段线性，使之更接近实际物性。

2 计算结果及分析

2.1模型验证

为了与文献[7]的实验结果进行对比，选择10MPa、330K状态下的水为介质，对光管螺旋管进行分析。图4为努塞尔数Nu模拟值与文献[7]实验值的对比，两者之间最大误差为31%，平均误差为28%，考虑到实验测量误差、有限元计算中假设、简化等计算误差，可认为模拟值与实验值的变化趋势符合较好，能够反映流动换热的特性。

2.2横纹螺旋管光滑处与横纹槽处速度矢量图对比

在横纹螺旋管光滑处的速度矢量图如图5a所示，由于弯管造成的二次流，在管壁的上下方形成两个漩涡，而密度差会在管壁的内外侧形成漩涡。笔者在计算时考虑了物性的变化和重力的影响，因此上下两侧的漩涡相对于管水平线有一定的偏移，由于温度差较小、密度相差很小，因此偏移量较小。横纹螺旋管横纹槽处的速度矢量图如图5b所示，由于横纹槽的存在，使得壁面处速度矢量杂乱无章，表明该处的流动复杂，湍流程度增强。

图4 努塞尔数Nu模拟值与实验值对比

图5 横纹槽螺旋管速度矢量图

2.3光管螺旋管和横纹槽螺旋管传热性能对比

如图6所示，横纹槽螺旋管的换热性能明显优于光管螺旋管，努塞尔数Nu约提高了5%～6%。计算中采用的横纹槽螺旋管横纹槽分布较稀疏，槽深、槽宽较小，后期研究中可通过对横纹槽螺旋管的横纹槽结构参数优化进一步提高传热综合性能。

2.4光管螺旋管和横纹槽螺旋管压降对比

如图7所示，横纹槽螺旋管的压降明显大于光管螺旋管压降，这是由于横纹槽结构造成流体流道截面的不断变化，导致流动阻力增大，压降增加。

图6 横纹槽螺旋管和光管螺旋管换热性能对比

图7 横纹槽螺旋管和光管螺旋管压降对比

3 结论

3.1以10MPa、330K状态下的高压水为介质，得到光管螺旋管努塞尔数Nu值随雷诺数Re的变化趋势，并与文献[7]实验结果进行了对比。结果表明：模拟值与实验值的变化趋势符合较好。

3.2对光管螺旋管和横纹槽螺旋管的换热性能和压降进行比较分析。结果表明：横纹槽螺旋管的努塞尔数Nu比光管螺旋管提高了5%～6%。这是因为横纹槽的存在，使得在它附近的湍流程度加强，导致传热效果明显优于光管螺旋管，另外横纹槽结构造成流体流道截面的不断变化，导致流动阻力增大，压降增加。

3.3目前，绕管式换热器管束均采用光管螺旋管，笔者提出了横纹槽螺旋管结构，使绕管式换热器的传热性能具有较大的发展空间。今后可以通过对应用于LNG液化工艺中的横纹槽螺旋管相邻凹槽之间的轴向距离m、槽深e及槽宽n等参数进行优化设计，达到提高传热和压降综合性能的效果，为高效率LNG绕管式换热器的设计研究提供指导。

[1] Ferng Y M，Lin W C，Chieng C C.Numerically Investigated Effects Different Dean Number and Pitch Size on Flow and Heat Transfer Characteristics in a Helically Coil-tube Heat Exchanger[J].Applied Thermal Engineering，2011，36(1)：378～385.

[2] Jayakumar J S，Mahajani S M，Mandal J C，et al.Experimental and CFD Estimation of Heat Transfer in Helically Coiled Heat Exchangers[J].Chemical Engineering Research and Design，2008，86(3)：221～232.

[3] Rainieri S，Bozzoli F，Cattani L，et al.Compound Convective Heat Transfer Enhancement in Helically Coiled Wall Corrugated Tubes[J]. Heat and Mass Transfer，2013，59(1)：353～362.

[4] Yang G，Dong Z F，Ebadian M A.Laminar Forced Convection in a Helicoidal Pipe with Finite Pitch[J].International Journal of Heat and Mass Transfer，1995，38(5)：853～862.

[5] Zachar A.Analysis of Coiled-tube Heat Exchangers to Improve Heat Transfer Rate with Spirally Corrugated Wall[J]. International Journal of Heat and Mass Transfer，2010，53(19/20)：3928～3939.

[6] Shokouhmand H，Salimpour M R.Optimal Reynolds of Laminar Forced Convection on a Helical Tube Subjected to Uniform Wall Temperature[J]. Heat and Mass Transfer，2007，34(6)：753～761.

[7] Seban R A，Mclaughlin E F.Heat Transfer in Tuber Coils with Laminar and Turbulent Flow[J].International Journal of Heat and Mass Transfer，1963，6(5)：387～395.

[8] Rogers G F C，Mayhew Y R.Heat Transfer and Pressure Loss in Helically Coiled Tubes with Turbulent Flow[J]. International Journal of Heat and Mass Transfer，1964，7(11)：1207～1216.

[9] Mori Y，Nakayama W.Study on Forced Convective Heat Transfer in Curved Tubes(2nd Report，Turbulent Region)[J].International Journal of Heat and Mass Transfer，1967，10(1)：37～59.

[10] Mori Y，Nakayama W.Study on Forced Convective Heat Transfer in Curved Tubes (3nd Report，Theoretical Analysis under the Condition of Uniform Wall Temperature and Practical Formulate)[J].International Journal of Heat and Mass Transfer，1967，10(5)：681～695.

[11] Jayakumar J S，Mahajani S M， Mandal J C，et al.Experimental and CFD Estimation of Heat Transfer in Helically Coiled Heat Exchangers[J].Chemical Engineering Research and Design，2008，86(3)：221～232.

2016-11-23，

2017-09-16)

(Continued from Page 536)

AbstractThe application of clamping connection, tooth-locked connection, wholly tooth-locked connection and that connection with flat-cover shear ring for pressure vessels were analyzed and compared to show that, many factors have to be taken into account when quick-opening structure is adopted for pressure vessels, including giving full consideration to the safety and reliability in their application.

Keywordspressure vessel, quick-opening structure,“O” ring, rigidness

StudyonHeatTransferPerformanceofHigherPressureWaterinWoundTubeswithTransverseGrooves

WANG Xiao-juan, LI Qing-sheng

(SchoolofMechanicalandPowerEngineering,NanjingTechUniversity)

In this paper, having FLUENT software adopted and high-pressure water taken as the medium to analyze both heat transfer and pressure drop within the smooth wound tube and that with transverse grooves were implemented to show that, the heat transfer performance of the wound tube with transverse grooves outperform that of the smooth wound tube, so does its pressure drop.

wound tube heat exchanger, smooth wound, wound tube with transverse groove, heat transfer performance

江苏省六大人才高峰项目(2014-ZBZZ-013)。

王小娟(1988-)，硕士研究生，从事换热器的传热强化和结构设计研究。

联系人李庆生(1969-)，副教授，从事结构强度和高效传质传热设备的研究，lqsh@njtech.edu.cn。

TQ051.5

A

0254-6094(2017)05-0564-05