花柄管管内单相传热与流动特性的实验与数值研究

张 兰 候朝兵 刘尚卿 张江辉

花柄管管内单相传热与流动特性的实验与数值研究

张 兰 候朝兵 刘尚卿 张江辉

（青岛科技大学机电工程学院 青岛 266061）

对光滑水平管道进行实验和数值模拟，通过对比换热系数验证数值模拟的可靠性。再对花柄管进行CFD数值模拟，结果表明；花柄管波浪状表面对制冷剂起到一定的扰流作用，并产生涡流加强换热；平均换热系数沿进口段至出口段方向减小且分布逐渐均匀。实验台热损失在3%内，对实验结果影响较小，确保实验数据的可靠性。

花柄管；单相；数值模拟；传热

0 引言

节能减排是现在全世界面对的共同难题。能源短缺、环境污染一直是我国乃至全球社会发展进程中的两大急需解决的问题。建筑的采暖、空调、照明和家用电器等设施消耗了全球约1/3的能源，其中供暖、空调和热水的能源消耗又约占其总消耗的60%以上，且建筑能耗每年都在不断增加，为节能减排增加了巨大压力。研究高效可靠的换热设备是行业的主要任务。如果能在换热器设计方面得到更高效的传热效果，设计直径更小的管节省材料，环保，必须利用更小直径的管，而小于5.0mm的管型尚不是主流管型，此类型的管内实验数据还非常有限。在生产新型换热管之前，利用CFD数值模拟对管子进行换热性能测试，既可以节省原材料保证了经济性，又可以根据模拟结果不断进行表面结构的调整以最大可能提高管子的换热性能。

花柄管是一种采用扩展表面强化传热技术对换热器进行强化传热的无功强化元件，如图1所示，花柄管是外径为18.2mm，内径为17mm的铜管，套管内径25mm。花柄管管外强化吸收，管内增加絮流扰动，防止结垢。花柄管内侧的换热工质是制冷剂R410A，外侧是水。光管和套管之间由发泡材料进行发泡处理，套管外侧包裹保温材料。光管的外径为19.1mm，内径为17.1mm，套管内径为25mm。图1（a）为花柄管模型图，（b）为工质流动方向示意图。

（a）花柄管

（b）工质流动方向

图1 物理模型

Fig.1 Physical Model

1 实验过程

图2 验装置原理图

图2所示为在实验期间测试台的实验装置的示意图，电子齿轮泵将处于储液罐中的过冷状态的制冷剂R134a输送到预热部分。预热段利用恒温水使制冷剂R134a加热至测试段的入口温度的目标温度。制冷剂R134a在套管换热器中与水进行逆向的耦合传热，制冷剂R134a流经管程，冷却水流经壳程，制冷剂的热量由冷却水带走。制冷剂R134a在测试段排出后流入冷凝器冷凝至一定的温度后流入储液罐，再进入干燥过滤器进行干燥过滤，最后送至电子齿轮泵，至此完成了整个循环。PT100铂电阻用作试验台的温度传感器，主要功能是测量水和制冷剂的入口和出口温度，实验数据由数据采集仪器获得[1]。

通过数据采集仪器获得实验数据，以获得测试部分的热交换量。通过套管换热器的水侧热平衡计算试验段的换热量，得到进水口和出水口的温度和体积流量[2]：

通过实验测得的制冷进出口温度和压力数据，再通过REFPROP 9.0软件查出。管外水的换热量和管内制冷剂的换热量的热损失由下式计算：

对数平均温度（LMTD）实际上是指制冷剂在整个换热管内面积上的积分平均值，制冷剂的饱和温度和水两侧的温度决定：

假设没有污垢热阻，那么套管换热器的总换热热阻为：

式中：U为测试段换热器的总换热系数，W/(m2·K)；A为测试段水侧的换热面积，m2。

Gnielinski[3]公式可以准确预测套管式换热器水侧的换热系数：

整个实验系统严格考虑了试验管道热损失的问题，在各个管道之间进行了保温隔热处理。并进行热平衡测试，热平衡测试时利用制冷剂在单相状态下进行换热实验，分别计算出水侧焓变和制冷剂焓变并进行对比，保证实验台数据的准确性。如图3所示，热平衡损失在3%以内，对实验结果几乎没有影响。

2 数值模拟

由于实验测量点难以建立，仅通过实验方法难以分析实验流体的流动和传热机理。因此，有十分必要通过数值模拟进行分析。

2.1 数学模型

Realizable-模型（可视化模型 RKE）其耗散率()方程由旋涡脉动的均方差导出，适用范围比较广，精度高于RNG-模型，对旋转，回流和分离等现象能够更好的预测。

Realizable-湍流模型包括湍流脉动动能方程，如式（5）所示；脉动动能耗散率方程，如式（6）所示：

制冷剂R410A在光管内部作三维定常湍流运动且不发生相变，忽略自然对流和辐射换热；假设流体为不可压缩流体，且制冷剂物性参数稳定；光管为水平放置，忽略重力对工质流动的影响，且壁面光滑；光管管壁热阻很小，忽略其热阻对换热的影响；套管经过发泡处理，外部严格包裹保温材料，可认为是绝热。对该模型建立对流换热控制方程[5]：

（1）连续方程（质量守恒方程）用公式（7）表示：

（2）动量守恒方程如式（8）（9）（10）：

式中，为不可压缩流体的密度，为压力，为不可压缩流体在平均温度下的动力粘度。

能量守恒方程如式（11）：

式中，为温度，为导热系数，C为定压比热容。

2.2 边界条件

入口设置为质量流量入口，出口为压力出口，根据实验所测进口温度设置制冷剂和水的进口温度，且根据制冷剂和水入口流速计算出湍流强度。制冷剂和水进行耦合传热，选取Realizable K—ε模型，采用二阶迎风格式离散，实现在模拟流动时耦合计算热量传递过程。求解器采用压力修正算法，能量方程的收敛标准设为1×10-6。

2.3 网格划分

本文对于长2m的花柄管运用icem进行结构性网格划分，并对边界进行加密处理如图4所示。通过fluent18.0软件进行数值计算，划分网格数量100万，并开展了网格无关性检验。在检验中发现在同一工况下网格数量为70万、100万、150万时的制冷剂出口温度和换热系数相差不大，可认为满足网格无关性。

3 模拟结果分析

3.1 温度分析

选取了其中某一个质量流速下光管的温度场云图，如图5所示。在模拟计算达到稳定后，如图5（a），在制冷剂经过与管外水发生热交换，制冷剂进口段的温度最高，但沿着进口至出口方向上，管内制冷剂温度值逐渐降低，出口段温度最低。图5（b）和图5（c）分别是进口段和出口段温度场云图，进口段中制冷剂中心区域温度最高，在管壁处温度梯度非常大。并且在出口段温度分布已经十分均匀稳定。

（a）整体温度分布图

（b）进口段温度分布 （c）出口段温度分布

图5 温度分布云图

Fig.5 Temperature contours

3.2 对流换热系数分布云图分析

提取其中某一个质量流速下花柄管管壁上在数值模拟时的平均换热系数，换热系数分布云图如图6所示，随着制冷剂从进口段至出口段方向，换热系数逐渐减小，并且逐渐分布均匀。因为随着制冷剂与水发生热交换，温差也在逐渐减小，换热性能逐渐稳定。

图6 某一段换热系数分布云图

3.3 数值结果与实验数据的对比

整理实验数据得到R134a在花柄管与光管内的单相质量流量与流传热换热系数的关系，见图7。经对比发现，光管的实验结果与模拟管内换热系数比较吻合，存在误差9%以内；花柄管内的换热系数要比光管中的高，即花柄管壁表面的强化设计有助于强化传热。

图7 质量流量与换热系数关系图

花柄管表面的波纹在表面形成了一个个比较狭小的通道，使得制冷剂在流经表面时增加了扰动，加强表面换热，且形成了较小的涡流如图8所示。

图8 制冷剂出口湍流强度云图和速度矢量图

4 结论

本文对花柄管和光管进行了CFD模拟，并对温度场换热系数进行详细分析，与实验结果进行比较，引入热平衡损失，发现数值模拟与实验结果基本吻合；

（1）在同一工况下，花柄管和光管的中心温度高于壁面温度，有中心向四周散热；制冷剂进口处由于温差大换热系数较高，并逐渐趋于平稳。随着质量流量的增加，换热系数也在逐渐增加，且增幅在增大。

（2）在同一工况下，花柄管的换热系数整体高于光管的换热系数，花柄管的波纹表面增强了对制冷剂的扰动并在截面处形成涡流。

（3）对花柄管套管的模拟更趋向于实际，比较恒壁温及恒热流的边界条件的出的结果更加准确。且对光管的数值模拟与实验的比较更加验证了这一结果。

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Experimental and Numerical Study on Single-Phase Heat Transfer and Flow Characteristics in Flower Tubes

Zhang Lan Hou Chaobing Liu Shangqing Zhang Jianghui

( Eletromechanical engineering college, Qingdao University of Science and Technology, Qingdao, 266061 )

In order to verify the reliability of the numerical simulation, the experimental and numerical simulations of the smooth horizontal tube were carried out by comparing the Heat transfer coefficient. Then the CFD numerical simulation of the flower tube is carried out. The results show that the wavy surface of the flower tube plays a certain turbulence effect on the refrigerant and generates eddy current to enhance heat transfer. The average heat transfer coefficient decreases along the wall from inlet to the outlet. And the distribution is gradually uniform. The experimental heat loss is within 3%, which has little effect on the experimental results and ensures the reliability of the experimental data.

Flower tube; Single phase; Numerical simulation; Heat transfer

TU83

A

1671-6612（2019）05-565-05

张 兰（1992.12-），女，汉，在读硕士研究生，E-mail：1398640550@qq.com

2019-01-14