多头螺旋套管换热器壳程的强化换热数值分析

张银银 江 涛

（珠海格力电器股份有限公司 珠海 519070）

引言

螺旋套管式换热器作为一类高效能强化换热器，由于其结构紧凑，换热效率高，已广泛用于各种机械、动力和制冷等换热领域的核心设备。由于其壳程几何结构复杂，流动和换热的影响因素较多，流动形态也很复杂，因而数值研究方法无疑为经济、安全地设计、评价换热器提供了一种强有力的手段。国外已对其换热作了一些数值研究[1-3]，但大多数集中于内管的研究，对于壳程的环形流道内的流体流动与换热性能的研究却不多。

鉴于上述现状，在湍流状态下，对此类换热器壳程螺旋通道内的流动和传热特性的研究成为迫切需要进行的课题。本文提出在内管上加设螺旋螺纹，并利用数值模拟分析螺纹对壳程强化换热的提升效果，最后采用综合性能评价因子η对强化手段做科学评价，结论可为合理设计经济可靠地此类换热器与综合评价其性能提供理论依据。

1 数值模型

1.1 物理模型

壳程物理模型如图1与图2所示，分别是截面为圆环和加有螺纹凹槽的不规则截面圆环的螺旋流道模型。主要几何参数：螺旋体螺距H、螺旋体曲率半径Rc、螺纹槽深h、螺纹缠绕圈数n、螺纹头数N、内管外径di、外管内径Do，螺旋体统一采取右旋方式绕旋两圈。

建立研究对象的壳程流道并分别命名为P1、P2与P3其参数见表1与表2。

采用ProE建立三维模型，导入前处理网格划分软件ICEM划分计算网格，网格模型截面如图3所示。

1.2 数学模型

本文研究的流动状态在Re=9 000-19 000范围内，为完全湍流状态。采用Fluent自带的RNGκ-ε模型，它对旋涡以及近壁的处理更适用于存在纵向涡流的螺旋形变管的壳程流体流动与传热的模拟。

湍动能方程：

耗散率输送方程：

式中：

式中，Gκ是由于平均速度梯度引起的湍动能产生；Gb是由于浮力影响引起的湍动能产生；YM为可压缩湍流脉动膨胀对总的耗散率的影响；C1ε、C2ε、C3ε为经验常数，Fluent中默认值为C1ε=1.44、C2ε=1.9、C3ε=0.09；ακ、αε分别为湍动能和湍动耗散率对应的有效普朗特数的倒数，Fluent中默认值为ακ=1.0、αε=1.3；Prt为湍动普朗特数，默认取Prt=0.85；gi为重力加速度在i方向上的分量；β为热膨胀系数取β=0.012；Mt湍动马赫数；a为声速；对于高雷诺数问题，Cµ=0.084 5。

图1 光滑内管螺旋套管换热器流道

图2 螺纹强化内管螺旋套管换热器流道

表1 光滑内管环形流道模型参数

表2 强化内管环形流道模型参数

图3 各种螺旋套管换热器壳程流道网格模型其截面图

2 求解及网格无关性检验

2.1 边界条件

计算以软件自带介质水为研究流体，其为不可压缩流体，物性为常数；过程中忽略重力影响[3-5]。

入口：速度入口，给定按各实验条件所取雷诺数Re计算出的速度值，并设入口温度为300 K；

出口：定义为压力出口，给定水力当量直径9.17 mm；

壁面：流道外壁面定义为绝热；内壁面定义为恒温，取壁面温度值340 K；所有壁面采用无滑移壁面条件，松弛因子采取系统默认值；湍流强度按I=0.16Re-1/8计算[5]；压力和速度的解耦采SIMPLE算法，为了提高计算精度，动量和能量方程的离散均采用二阶迎风格式，收敛条件为所有残差值小于1.0×10-6。模拟工况见表3。

2.2 网格无关性检验

为确保仿真结果的准确性，采用不同的网格尺寸对流道内流体流动和传热过程进行了数值初算，选取各模型同一界面处的局部平均努赛尔数Nu和局部平均摩擦系数fm做比较，其计算误差均在可接受范围，这为计算优选网格数量提供了依据。具体实验结果列于表4。

3 结果与分析

3.1 速度与温度场分析

为研究多头螺纹绕旋内管所起的壳程强化换热，分析湍流充分发展的距离入口540 °位置截面的速度与温度场，如图4。

在相同工况下随螺纹头数增加，环形流道的速度矢量图表明速度场变得愈加紊乱，流场的二次流变得愈加强烈，速度梯度也在增大。这使流体与壁面的换热边界层受到扯裂，尤其是随着头数的增加，造成的紊流更加激烈，换热边界层受到的破坏也越严重，这使换热阻力迅速减小。对应温度场的发展也随之变得更加展平，整体性更好。

3.2 壳程整体换热性能分析

为直观的对比螺纹头数对壳程充分发展的湍流换热的强化作用，图5与图6分别展示了沿程Nu数与壁面摩擦因子fm的变化。

分析发现，没有绕螺纹即绕螺纹头数为零的P1模型流道换热性能确实远低于带螺纹绕旋的强化内管的流道模型，且随着绕旋螺纹头数的增大，换热性能在整体上都得到了提升。但也不可忽视，随着绕旋螺纹头数的增加，壁面摩擦系数整体上会增大。而这种摩擦系数的整体增大是非常不利于节约换热所需的能量投入的，在增强换热的同时如果泵功的消耗投入增大过多，将大大降低强化换热所获得的收益。

3.3 综合评定强化换热性能

表3 模拟流动工况参数表

表4 网格无关性分析参数表

图4 模型P1、P2和P3在距离入口540 °截面处速度场矢量图和温度图

图5 沿程的努赛尔数Nu的变化

图6 沿程的摩擦因子 fm变化

图7 强化管P2与P3相对于光滑管的及η在沿程各截面变化

数值解与之做比值来具体量化的比较综合性能。如图7展示了6头螺纹管P2与4头螺纹管P3分别与光滑管P1的比值沿程变化。

图7表明带有多头螺纹结构的流道的强化换热性能相对于光管都有绝对的提升，这种优势体现在整个壳程流动的换热中，而且螺纹头数的增加也使相对流动阻力增大；但通过对P2与P3管的综合因子η曲线分析可以发现其值始终大于1，有力论证了螺纹头数的增加带来的强化换热收益能够绝对的弥补整个壳程因流阻增大而损失的能量，因此这种强化换热的技术能够获得能量的正收益。

4 结论

1）内管上增设多头螺纹绕旋的换热器其壳程速度场更加紊乱，温度场更加展平，在换热能力大幅提升的同时流动阻力也将增大，使得换热综合收益受影响。

2）内管外表设计多头螺纹可以绝对的强化传热，其综合性能评价因子η都大于1，有力论证了内管加设绕旋螺纹结构可有效强化壳程的换热性能。