翅片管内嵌入螺旋线圈的强化传热分析

冯潇峰 邓子龙

摘      要：以注汽锅炉对流室的翅片管为研究对象，结合锅炉的实际工况对光管和嵌入螺旋线圈后管道传热和流动进行分析，结果表明翅片管内嵌入螺旋线圈后靠近管壁的流体呈现螺旋状旋转运动，嵌入螺旋线圈起到了强化传热的作用。接着分析螺旋线圈结构参数对强化传热的影响，选择四组螺距和直径形成16组不同的螺旋线圈结构参数并分别进行仿真;分析了螺旋线圈的螺距和直径对努塞尔数、阻力系数、场协同角余弦值和PEC值的影响。结果表明：当直径相同时，努塞尔数随着螺距的增大而减小，而在螺距相同时，努塞尔数随着直径的增大而增大。选择适合的直径和螺距可以有效提高PEC值。

关  键  词：翅片管;螺旋线圈;强化传热;努塞尔数;PEC值

中图分类号：TK 172      文献标识码： A       文章编号： 1671-0460（2019）04-0859-05

Abstract： The finned tube of the convection chamber of the steam injection boiler was taken as the research object， the heat transfer and flow of the smooth pipe and the spiral coil embedded pipeline were analyzed in combination with the actual working conditions of the boiler. The results showed that after the spiral coil was embedded in the finned tube， the fluid close to the tube wall exhibited a helical rotational motion， and the embedded helical coil acted to enhance heat transfer. Then the influence of the helical coil structure parameters on the heat transfer enhancement was analyzed. Four sets of pitches and diameters were selected to form 16 different spiral coil structural parameters， and they were simulated separately. The effect of pitch and diameter of the helical coil on the Nusselt number，drag coefficient， field co-angle cosine and PEC value was analyzed. The results showed that the Nusselt number decreased with the increase of the pitch when the diameter was the same， and the Nusselt number increased with the increase of the diameter when the pitch was the same. So choosing the right diameter and pitch can effectively increase the PEC value.

Key words： Finned tube; Spiral coil; Enhanced heat transfer; Nusselt number; PEC value

能源近年來已经成为政治、经济、环保、国际环境等领域的核心问题，同时也直接影响到社会经济发展和人民生活水平提升[1]。石油是高需求量的能源之一，其开采量也在逐年增加，其中稠油的开采占有很高的比例，稠油开采主要有以下三种工艺：蒸汽吞吐工艺、蒸汽驱工艺、SAGD工艺。这些采油工艺都是注汽锅炉产生高温高压的蒸汽注入井下为基础，因此在稠油开采时注汽锅炉是不可或缺的设备[2]。提高注汽锅炉的传热效率对于节约能源、减少开采成本具有重要意义。

强化传热技术是一种显著提高设备传热效率的技术。强化传热一般可分为有功法和无功法。有功法需要借助外部动力，主要有机械搅动、表面振动、流体振动、电磁场、流体注入法或抽吸法。无功法无需借助外部动力，主要有处理表面，扩展表面，表面张力装置，射流冲击、添加物，管内插入扰流元件[3]。管内插入扰流元件是一种非常便利实用的强化传热措施，它不仅制造安装简单，同时又具有清除管内污垢的作用，更有助于对旧设备的改良。管内扰流元件包括螺旋线圈、螺旋翅片、纽带、绕花丝、静态混合器等。其中螺旋线圈因具有低廉的成本，方便拆装维修等诸多优点而被广泛应用。

螺旋线圈强化传热吸引了中外学者的关注。L.Zhang等[4]研究了套管式换热器中螺旋线圈能够提高Nu数，减小流体流动阻力;S.K.Saha等[5]在换热管内部添加螺旋线圈，发现在层流状态下可以改善传热性能;韩继广等[6]以实验的方式对比了五组参数不同的纽带和一组螺旋线圈，研究表明管内插入扰流元件在显着增加管中空气的传热系数也导致流动阻力增加。近年来，随着计算机硬件和CFD软件技术不断进步和完善，人们对于流体流动和传热的研究不再局限于实验，利用CFD软件仿真逐渐成为一种新的研究手段，然而国内对管内嵌入螺旋线圈的仿真较少，徐志明等[7]以黏性流体变压器油为管内工质，得到管内嵌入螺旋线圈后工质的湍流度增强的结论。本论文选取了注汽锅炉对流段翅片管为研究对象，以ANSYS FLUENT软件为研究手段，并结合注汽锅炉的实际工况对其嵌入螺旋线圈后流动和传热进行分析，为注汽锅炉对流段的强化传热奠定基础。

1.2  物理模型

如图1所示本文以选取管长500 mm、内径63 mm、壁厚26 mm，翅片高度为19 mm的翅片管，管内嵌入紧贴管壁的螺旋线圈，管内流动介质为水，翅片管水平放置，水从管左侧入口依靠外力流入管内，在管内流动过程中在受到螺旋线圈的扰流作用，最后从管右侧出口流出。图2为螺旋线圈的结构示意图，螺旋线圈的结构参数为节距p和线圈直径d，分别选取了4种不同螺距（P=40、50、60、70 mm）和直径（d=8、10、12、14 mm）组成16组不同的结构参数。

1.3  网格划分和边界条件

由于管内结构比较复杂，采用了非结构网格进行划分，并对靠近壁面一侧的流体和边界层加密以保证结果的准确性，水以一定速度流入管道，因此进口边界条件设置为速度进口，速度设为0.24 m/s，而水在另一侧流出，出口设置为压力出口，出口压力为标准大气压，即0 MPa，翅片管外壁设置为恒壁温边界条件，管外壁温度为79 ℃，水与接触的各壁面设为流固耦合，速度与压力耦合采用simple算法（图3）。

2  仿真结果分析

2.1 光管和嵌入螺旋线圈后管道的流动与传热分析

图4为光管的速度矢量图，图5、6为嵌入螺旋线圈后管道内流体的速度矢量圖。由图4可知：光管的最大流速为0.267 4 m/s;由图5可知：嵌入螺旋线圈后最大速度增加到0.391 7 m/s，嵌入螺旋线圈后水的流速增加，且集中在管内中心区域，这是由于嵌入螺旋线圈后管的当量直径要比光管的内径更小，也就是水的流通面积会减小，在相同的质量流量下水的流速增加;同时由图6可知：水流动时在螺旋线圈的扰动下，不仅有和光管一样的轴向运动，靠近管壁部分的水还呈现出螺旋状旋转运动，这样由切向加速度产生的离心力也会随之增大，水的轴向和径向交叉流动形成二次流，促使管内中心区域密度较大的温度较低的水向壁面流动，与靠近区域密度较大的温度较低的水向壁面流动，与靠近壁面附近密度较小温度较高的水混合，如此往复减薄了靠近壁面的边界层，增加了流体的传热效率，从而使管内单相流传热得到强化。

图7为光管的出口温度云图，由图7可知：光管出口平均温度为95 ℃;图8为嵌入螺旋线圈后出口的温度云图，由图8可知：其出口平均温度为151 ℃，对比可知嵌入螺旋线圈后，出口的平均温度增加了56 ℃，表明嵌入螺旋线圈可以强化管内传热。

2.2  传热性能与流动阻力分析

图9是结构参数变化对努赛尔数的影响。由图9表明：当直径相同时，努塞尔数随着螺距增大而减小，螺距为70 mm时努塞尔数最小，表明螺距增加会使传热性能减弱。产生这种趋势的原因是当螺距增大时，螺旋线圈的扰流效果会减弱，冷热流体交互更弱。直径越小，努塞尔数的变化随着螺距的变化越慢，即直径越小，螺距对传热性能的影响越小。而在螺距为40 mm，直径为8、10 mm时努塞尔数反而更小，表明直径较小且螺距也较小时，会出现努塞尔数随着螺距增大而增大的情况。

当螺距数值相同时，努塞尔数随着直径增大不断增大，当直径为14 mm时努塞尔数最大，直径为8 mm时努塞尔数最小，即直径增加会使传热性能增强，这是由于螺旋线圈直径增大后，对管内水的扰动更加剧烈。且螺距越小，努赛尔数随直径增加速率越来越快。即螺距数值较小时，直径数值的变化对传热效果的影响会更大。

图10是结构参数变化对阻力系数的影响。由图10表明：当直径相同时，阻力系数随着螺距增大而减小，且直径较大时阻力系数随螺距变化程度更快，产生这种情况是由于螺旋线圈螺距增加后，相同单位时间内水与螺旋线圈接触频率减小，在流动过程中受到的阻力作用变小，导致阻力系数减小。

但直径为8 mm时阻力系数在40 mm至60 mm时，阻力系数反而不断增加，表明当直径和螺距都较小时，阻力系数随着螺距的增大而增大。当螺距相同时，阻力系数随着直径的增大而增大，且螺距越小时，随着直径增加阻力系数变化越快。螺旋线圈直径增加后，水与螺旋线圈的碰撞面积增加，水受到的阻力增加，导致阻力系数增加。

2.3  场协同分析

图11是结构参数变化对场协同角余弦值的影响。当速度矢量与温度梯度矢量夹角的余弦值越大，二者协同性能越好，流体与壁面之间的传热性能更好。由图11表明：当直径相同时，场协同角余弦角随着螺距增加而减小，即螺距的增加使场协同性能呈缓慢下降趋势，传热性能遭到削弱，当螺距相同时，场协同角余弦值随着直径增大而增大，即直径的增加使场协同性能小幅提升，传热性能得到加强，这与2.3分析螺距和直径对传热性能影响得到的结论是一致的。

图11  场协同角余弦值随结构参数变化图

Fig.11 Field coordination angle cosine value change with structural parameter

2.4  综合传热性能分析

由上面的分析可知：当螺旋线圈结构参数变化，传热性能和阻力系数都会随之发生变化，在实际生产中流动阻力的提升必然会带来泵功率的损失，所以强化传热不能一味考虑传热性能的增强，还要考虑阻力带来的影响，因此采用PEC值（Nu/Nu0）/（f/f0）1/3  来判定综合传热性能，PEC值越大表明综合传热性能越好，当该值大于1时，综合传热性能较好。

图12是结构参数对综合性能系数的影响，在本文涉及的结构参数范围内，当直径相同时，PEC值随螺距的增加而增加，当螺距相同时，PEC值随直径的增加而减小，在直径小于12 mm;节距大于60 mm时，PEC值大于1，表明当节距较大同时直径又较小时，PEC值比较理想，翅片管嵌入螺旋线圈后的综合传热性能得到很大改善，即传热效果提升的价值要大于流动阻力增加带来的损失;在直径较大时，随着螺距增加PEC值变化程度变得愈加缓慢，当螺距较大时，随着直径增大PEC值变化程度也会减弱，所以想要改善翅片管的综合传热性能，选取合适的螺距和直径就显得尤为重要。