螺旋套管式换热器螺纹强化管程传热研究

王翠华，苏方正，李光瑜，张文权，荣铎，龚斌，吴剑华

工艺与装备

螺旋套管式换热器螺纹强化管程传热研究

王翠华，苏方正，李光瑜，张文权，荣铎，龚斌，吴剑华

（沈阳化工大学 机械与动力工程学院，辽宁 沈阳 110142）

基于实际工程应用，采用CFD软件，建立了内管为螺纹管的新型螺旋套管式换热器的三维实体模型，并使用管程流体与壳程流体耦合计算的方法进行模拟计算，重点分析了螺纹槽高和槽距等结构参数对管程流体流动与传热特性的影响。结果表明：螺纹的扰流和导流作用，改变了管程螺旋通道横截面上的二次流结构，除在横截面外侧区域形成一个不规则主涡外，还在截面内侧区域的近螺纹处产生了大小不一的附加涡旋。主涡和附加涡共同作用加剧了壁面和中心区流体的热质交换，强化了换热效果。在研究范围内（=8 000～40 000），螺旋套管式换热器内管采用螺纹管与内管采用光管相比换热效果提高了约36%～143%。螺纹槽高及槽距对管程流体传热影响较大，和随槽高的增加而增加，随槽距的增大而减小。

螺旋套管式换热器；耦合传热；强化传热；数值模拟

随着工业生产的发展，人们越来越关注提高换热设备的换热效率［1］。套管式换热器是一种高效的换热设备，因其结构简单，制造成本较低，广泛地应用于化工、石油、动力、核能、石油、制冷等工程领域［2］。采用螺纹管作为内管应用在套管式换热器中可实现螺纹和螺旋流动复合，达到强化传热的目的，故与同体积的光滑管相比换热效果更好，抗污性能更优。

广大中外学者对螺纹强化直套管换热器管程传热性能的研究较多。史以齐［3］等分析了直螺纹管内流体的流动和传热性能与螺纹螺距、肋高、雷诺数的关系。葛银海［4］等研究了新型螺纹结构对直螺纹管传热性能的影响。总结他们的研究结果发现，螺纹对直管内流体流动、传热的贡献主要在于：螺纹的存在既增加了流体的换热面积，又对管内流体产生扰动［5］，且螺纹间形成的螺旋槽道起到导流作用，加剧壁面和中心区域流体的热质交换［6］。

目前，关于螺纹强化螺旋套管换热器内流体传热的研究较少。袁宇阳［7］等采用实验和数值模拟相结合的方法对不同结构的同轴螺旋管换热器内流体的传热特性进行了初步研究，求出了换热器总的传热系数，但对管程和壳程流体的具体特性并未做出详细介绍。刘希祥［8］等采用数值模拟的方法分析了管程流体的流动及传热特性。林清宇［9］等的实验研究表明，螺纹和螺旋管复合强化管程的传热效果与结构参数有关。

在实际应用过程中，套管式换热设备的传热既包括管程流体、壳程流体与换热管壁面的对流换热，又有管子的导热。为更贴近实际应用，本文采用CFD软件，建立了内管为螺纹管的螺旋套管式换热器的三维模型，并使用管程流体与壳程流体耦合计算的方法进行模拟，以揭示换热器管程流体的流动与耦合传热特性以及螺纹槽距和槽深等参数对管程内流体流动与传热特性的影响。该研究对于此类新型高效螺旋套管换热器的结构设计、综合性能分析进行了有益的探索，具有重要意义。

1 耦合传热计算模型

1.1 物理模型及计算方法

根据实际工程应用中螺旋套管式换热器的几何尺寸建立了三维实体模型，如图1所示。图1中内管内壁采用螺纹结构，外管外径为=30 mm，壁厚为1 mm；内管外径为=20 mm，壁厚为2 mm，螺旋半径为，槽高为，槽距为，管长为。

应用ANSYS fluent 19.0软件，共建立了10种不同的内管尺寸，具体结构尺寸见表1。其中1号管为光滑管，2～10号管为螺纹管。1～7号管长为1 570.8 mm，8～10号管长785.4 mm。

铜作为管道材料，管程与壳程均以水作为传热介质，管程走热水，壳程走冷水，且两者做逆流运动。外管壁面绝热，内管壁面为耦合条件。将入口设置为速度入口，管程流体入口温度为353 K，壳程流体入口温度为300 K，管程与壳程出口均设置为压力出口，湍流模型选择标准模型，同时选择加强壁面函数，计算过程中设定分离变量法的隐式求解器，选择SIMPLE算法来耦合速度和压力，动量方程和能量方程采用二阶迎风格式离散化，固体壁面上的速度为无滑移边界条件，模型计算的收敛条件为质量计算残差绝对值小于1×10-5。

图1 螺旋套管式换热器模型

表1 内管结构参数

1.2 模型验证

为验证上述数值模型和计算方法的可靠性，采用该方法对文献［10］中单头螺旋槽直管内流体流动和传热进行数值分析，并与其拟合关联式进行对比，其对比结果如图2所示。由图2中可见，本文所模拟单头螺旋槽直管的和与拟合值的平均误差分别是3.77%和1.46%，验证了本文数学模型和计算方法的可行性和准确性。

图2 Nu和f与模拟结果对比

2 结果分析及讨论

本文对表1列出的10个模型进行了模拟计算，用于分析槽高、螺距关键参数对内管采用螺纹管的螺旋套管换热器管程内流体流动及换热的影响。模拟计算时壳程流体恒定为10 000，管程流体的的范围为8 000～40 000。

2.1 槽高h对管程流体的影响

图3给出了不同模型的管程的对比，其中和0分别表示内管采用螺纹管和光滑管时螺旋套管式换热器的管程努塞尔数。图4给出不同模型与入口面旋转角度=180°管程流体截面的速度矢量图。

图3 槽高h对管程Nu影响

由图3中可见，内管采用螺纹管时，套管换热器管程的明显大于内管采用光滑管的值，在所研究范围内，/0值在1.36～2.43之间，这说明内管采用螺纹管比内管采用光滑管换热效果提高了约36%～143%。

图4 管程θ=180°截面速度矢量图

结合图4分析螺纹复合螺旋流动增强截面二次流的情况，发现由于螺纹的扰动，流体流过螺纹凸起后引起边界层脱离，在截面内侧区域的近螺纹处产生大小不一的附加涡旋，螺纹间形成的槽道起导流作用，诱导近壁面处流体产生旋流流动，在横截面外侧区域形成了一个不规则主涡。正是扰流和导流的共同作用改变了光滑螺旋通道横截面上的二次流结构（上下近似对称的两涡结构），并使得主涡和附加涡的强度均明显高于光滑管内离心二次涡的强度。主涡和附加涡共同作用加剧壁面和中心区流体的热质交换，强化换热效果。

图5给出了不同模型管程的对比，其中和0分别表示内管采用螺纹管和光滑管时螺旋套管式换热器管程的阻力系数。在强化换热的同时不可避免的增加流动阻力，从图5中可见，内管采用螺纹管时，套管换热器管程的明显大于内管采用光滑管的值，在所研究范围内，0值在3.61～12.23之间。结合图4分析，螺纹结构起到扰流和导流作用，使得管程流体扰动程度增大，改变了截面上二次流的结构，强化了传热，但近螺纹处产生了大量附加涡旋，增加了近壁面处的剪切力，使得增加了流动阻力。

图5 槽高h对管程f影响

对于同一模型，随着的增大，管程不断减小，且变化趋于平缓。对比图4中的（b）和（c）两图，分析是因为随着的增加，横截面上的二次流强度明显增大，近壁面处速度梯度减小，剪切力减小，出现下降，并且随着的增加管程流体湍流扰动越剧烈，螺纹结构对流体流动的影响逐渐减弱，但/0变化不大。同一下，随着增加，管程也在不断增大，且/f增大明显。

2.2 槽距P对管程流体的影响

图6分别给出了不同螺旋套管式换热器管程和管程与和的关系曲线。从图6中可以看出，在同一雷诺数下，螺旋套管式换热器的管程和管程随着的减小而增大，并且增加的幅度也越来越大。因为螺纹虽然对流体进行连续扰动，但在螺旋通道内不同截面上对流体扰动的位置是不同的。当减小时，扰动圈数增加，扰动周期变短，故对流体的连续扰动强度增加，强化了传热，同时也增大了管程流体的流动阻力。

图6 槽距P的影响

3 结 论

1）螺纹的扰流和导流作用改变了螺旋通道横截面上二次流的结构，除在管程横截面外侧区域形成了一个不规则主涡外，还在截面内侧区域的近螺纹处产生大小不一的附加涡旋，主涡和附加涡共同作用加剧壁面和中心区流体的热质交换，强化换热。

2）在研究范围内（=8 000～40 000），螺旋套管式换热器内管采用螺纹管与内管采用光滑管相比管程努塞尔数提高了36%～143%，强化传热效果明显。

3）通过1～10号管模拟结果分析，螺纹槽高及槽距对管程流体传热影响较大，和随槽高的增加而增加，随槽距的增大而减小，且越低，强化传热效果越好。

[1] 吴帅. 螺旋板换热器涡强化传热数值模拟研究[D].兰州：兰州交通大学，2020.

[2] 赵宇. 螺旋管内流动与核态沸腾传热数值研究[D].哈尔滨：哈尔滨工程大学，2019.

[3] 史以奇，李凌.螺纹管管内流动与传热的数值模拟[J].上海理工大学学报，2016，38（2）：133-136.

[4] 葛银海，刘贵喜，刘峰，等.高效螺纹管结构优化数值模拟[J].石油机械，2018，46（12）：117-122.

[5] 倪利刚.超临界压力下氮在螺旋管换热器小样机内相变传热试验研究[J].通用机械，2017（6）：48-53.

[6] 徐明海，刘文波，张知宇.桩基螺旋管换热器数值模拟研究[J].建筑热能通风空调，2017，36（7）：10-13.

[7] 袁宇阳，王学生，陈琴珠.椭圆扭曲螺旋管传热及流阻特性模拟研究[J].高校化学工程学报，2020，34（3）：671-678.

[8] 刘希祥. 螺旋管强化传热的CFD模拟优化与场协同分析[D].上海：华东理工大学，2018.

[9] 林清宇，刘鹏辉，冯振飞，等.螺旋通道内流体流动与传热特性研究进展[J].科学通报，2017，62（25）：2931-2940.

[10] 薛提微. 换热器的热力设计方法与性能评价[D].济南：山东大学，2017.

Study on Heat Transfer Enhancement of Screw Thread in the Tube Side of Spiral Double-pipe Heat Exchanger

（College of Mechanical and Power Engineering, Shenyang University of Chemical Technology, Shenyang Liaoning 110142, China）

Based on the actual engineering application, using CFD software, the three-dimensional entity model of new spiral tube heat exchanger with thread inner tube was established, and simulation calculation was carried out by using the coupling calculation method of tube-side fluid and shell-side fluid, and the influence of structural parameters such as thread groove height and groove spacing on the fluid flow and heat transfer characteristics of the tube side was mainly analyzed. The results showed that the secondary flow structure of the spiral passage cross section was changed by the disturbance and diversion of the thread, and not only an irregular main vortex was formed in the outer part of the cross section, but also additional vortices of different sizes were generated in the inner part of the cross section near the thread. The interaction of main vortex and additional vortex intensified the heat and mass exchange between the wall and the central region and strengthened the heat transfer effect. In the research range (=8 000 ～ 40 000), the heat transfer effect of spiral tube heat exchanger using threaded tube was improved by 36%～143% compared with that using light tube. The height and distance of the threaded groove had great influence on the heat transfer of the fluid in the pipe.andincreased with the increase of the height of the groove, but decreased with the increase of the distance of the groove.

Spiral double tube heat exchanger; Coupled heat transfer; Fluid flow;Numerical simulation

辽宁省教育厅面上项目（项目编号：LJKZ0447）；国家自然科学基金资助项目（项目编号：51406125）；辽宁省博士启动基金资助项目（项目编号：2019-BS-189）。

2021-11-10

王翠华(1978-)，女，博士，副教授，研究方向：化工过程设备的传热强化。

龚斌， E-mail: 1584043642@qq.com。

TK172

A

1004-0935（2022）06-0829-04