内螺纹管结构对有机朗肯循环管内换热的影响

唐铭泽 盛 伟

（沈阳工程学院，沈阳 110136）

有机朗肯循环（Organic Rankine Cycle，ORC）系统是一种吸收低品位热源为主的换热系统。在国家大力推进节能减排、低碳环保的趋势下，有机朗肯循环系统的开发和利用备受关注。

在几十年的研究发展过程中，内螺纹管已得到十分广泛的应用。相比于光管而言，内螺纹管独有的结构特性在增加换热面积的同时，能够达到增强管道内工质流体的扰动，提高了工质流速和抑制传热恶化的效果。在ORC系统中采用内螺纹管结构，可以提高ORC系统的换热效率和机组的运行经济性。

近年来，许多研究成果已用于石油化工、能源动力、空调制冷、冶金及船舶等领域[1]。重庆大学强化传热科研组和重庆锅炉厂联合研究了不同结构螺纹管管内湍流传热及流阻性能，总结出不同负荷下矩形槽内螺纹管传热恶化时临界合汽率的计算公式[2]。王为术总结归纳了近30年诸多学者在内螺纹管内传热和流动的研究成果[3]。李强的研究提出换热工质的传热性能已成为影响换热设备性能的一个主要因素[4]。赵朝利用计算流体动力学方法，分析了CuO-水纳米流体和Fe2O3-水纳米流体在内螺纹铜管中的传热特性[5]。

1 物理模型和数学方程

1.1 内螺纹槽形结构参数与物理模型

文章数值模拟的对象为R601在外径为12.6 mm、壁厚为1.5 mm、长为500 mm的水平内螺纹管内的流动换热，研究不同内螺纹参数（如内螺纹槽形、槽深等）对有机工质在内螺纹管内换热性能的影响。

采用的内螺纹管槽形结构如图1所示。图1（a）为内螺纹剖面图，其中S为内螺纹槽宽，H为内螺纹槽深，T为内螺纹管壁厚。图1（b）为内螺纹管剖面图，其中W为内螺纹槽间距。

图1 内螺纹管槽结构

文章采用的内螺纹管形参数，如表1所示。利用内螺纹增加换热面积和增强流体的扰动效果等优点，达到强化换热性能的目的。

表1 内螺纹槽参数表

1.2 数学模型

连续性方程为

式中：xi为x方向的分量；ρ为管内有机工质的密度；ui为管内有机工质的流速。

运动方程为

式中：p为压强；ui、uj、uk为有机工质在管内流动时3个方向的速度分量，其中k=1,2,3；μ为动力黏度。

能量方程为

式中：cp为管内有机工质的比热容；T为管内有机工质的温度；λ为管内有机工质的导热系数。

1.3 数值方法

1.3.1 网格划分

Fluent基于有限体积方法对模型进行求解。目前，大多数学者都会使用Fluent Meshing作为流体的前处理软件。为了验证模拟的准确性，对网格进行无关性验证，发现网格数量超过290 W时其对实验结果的影响偏差可以忽略不计，得出计算结果理论上与实际完全一致的结论。

1.3.2 边界条件

边界条件的设定是数值模拟过程中的关键一步。正确的边界条件才能得出准确的实验结果。

入口处设置为速度入口，流速取值0.1 m·s-1，有机工质R601流入内螺纹管时温度为293.15 K。出口处设置为压力出口。采用无滑移速度边界条件，管道壁面设置为均匀稳定温度，壁面温度取值473.15 K。

2 内螺纹管模拟结果分析

内螺纹管的换热性能以式（1）～式（3）为数学模型进行分析，可得通过内螺纹管内对流换热特性和流动压降。对三角形、正方形和半圆形3种不同管槽结构的气相体积分布进行分析，同时对比不同管槽结构内螺纹管的导热量、进出口温差及压降，分析有机工质在内螺纹管中的换热情况。

分析管内换热特性，设置光管作为对照组，通过绘制温度分布云图，分析有机工质在光管和内螺纹管中的传热特性，如图2所示。相比于光管，内螺纹的存在增加了有机工质在管内的对流换热面积，同时增强了流体在管内的扰动。因此，从温度云图中可以看出，在距离入口20 mm处，温度分布存在明显区别。该位置有机工质在内螺纹管中吸收更多的热量，使得有机工质在内螺纹管中的温度分布相比于光管高出约10 K。

图2 温度分布云图

选取距离入口20 mm处作为测量点1，选取距离出口20 mm处作为测量点2。通过计算测量点1和测量点2的平均温度得到表2。可见，内螺纹管中半圆形螺纹温差＞矩形螺纹温差＞三角形螺纹温差。同时，对3种内螺纹管的导热量进行计算，得到光管导热量为7.310 135 8 W，三角形内螺纹管导热量为7.764 276 4 W。综上所述，半圆形螺纹是换热效果较好的结构形式。

表2 进出口温差表

3 结语

研究的换热特性的差异主要由内螺纹管的螺纹结构不同导致。不同的内螺纹结构随着内螺纹管槽型的改变，直接增加了管内壁面对流换热面积，导致流体流动扰动强度增强，最终达到提高表面传热系数的目的。一方面，相比于光管，3种内螺纹管均有助于强化管内对流换热，半圆形内螺纹的进出口温差为61.519 67 K，相比于光管提高2.720 92 K，比三角形内螺纹管提高1.607 29 K，比矩形内螺纹管提高1.565 63 K，同时半圆形内螺纹管壁导热量高于其他两种内螺纹管壁的导热量，相比于光管提高约11.767%。另一方面，权衡对有机工质在内螺纹管中的传热特性和流动特性进行分析，半圆形螺纹相比于三角形螺纹和矩形螺纹是较为优化的螺纹结构。