内置多叶扭带的碳化硅换热管强化传热特性研究

李佳豪 虞斌 江超 吕林

DOI：10.20031/j.cnki.0254?6094.202403008

摘 要 为了研究碳化硅换热管的流动和传热特性，达到增强综合换热能力的目的。采用数值模拟方法对内置4种不同结构扭带的换热管进行分析，确定四叶扭带模型作为后续研究对象，对比了在4种自定义的节距和宽度两种结构参数下，不同入口风速工况的换热管的热力性能。结果表明：扭带宽度对换热管的换热能力相较于节距具有更显著的强化作用，四叶扭带节距为360 mm、宽度为45 mm时换热管的综合换热能力最强，为1.59，此时换热管的努塞尔数相较光管提升了244.37%。

关键词 换热器 碳化硅换热管 多叶扭带 强化换热 数值模拟 综合换热性能

中图分类号 TQ051.5   文献标志码 A   文章编号 0254?6094（2024）03?0375?07

Study on Enhanced Heat Transfer Characteristics of the Silicon

Carbide Heat Exchanger with Multi?blade Twisted Tapes

LI Jia?hao， YU Bin， JIANG Chao， LV Lin

（School of Mechanical and Power Engineering， Nanjing Tech University）

Abstract   For purpose of investigating both flow and heat transfer characteristics of the silicon carbide heat transfer pipe and enhancing comprehensive heat transfer capacity， making use of numerical simulation method to analyze the heat transfer pipe with four different twisted tapes was implemented， and the four?blade twisted tape model was taken as the object of research to compare thermal performance of the heat transfer pipe which boasting of different inlet wind speeds and four self?defined pitches and two widths. The results show that， the width of the twisted tape has significant strengthening effect on the heat transfer capacity than the pitch. When the pitch of the four?blade twisted tape stays at 360 mm and the width is

45 mm， the comprehensive heat transfer capacity of the heat exchange tube becomes strongest（1.59）. At this time， Nusselt number of the heat transfer tube is 244.37% higher than that of the tube.

Key words   heat exchanger， silicon carbide heat transfer pipe， multi?blade twisted tape，  enhanced heat transfer， numerical simulation， comprehensive heat transfer performance

作者简介：李佳豪（1998-），硕士研究生，从事新型高效传热传质设备的研究。

通讯作者：虞斌（1965-），教授，从事新型高效传质传热设备的研究，2667409759@qq.com。

引用本文：李佳豪，虞斌，江超，等.内置多叶扭带的碳化硅换热管强化传热特性研究[J].化工机械，2024，51（3）：375-381.

为解决化工厂中的三氯化铝反应炉内部余热积累问题，提出了以惰性气体氦气为载热介质，在反应炉内部放置碳化硅换热管的方案。为了更加有效地取出反应炉内热量，需要强化碳化硅换热管的换热能力。BERGLES A E最早开始研究管内单向对流传热的强化问题，并将强化传热方法进行分类，主要分为有源强化传热和无源强化传热[1]。相较有源技术成本高和工艺的复杂性，无源技术本身更简单、实施起来更容易而且成本低廉，使得其在工程上得到了广泛的应用[2]。其中无源强化技术包括管内强化传热技术等。管内强化传热技术是通过管内插入涡发生器、扭带及螺旋线圈等增加管内流体的扰流，管内流体的扰动会增大管内切向速度和径向速度，增加管子壁面附近流体的温度梯度，增大管壁面换热系

数[3]。扭带是一种被广泛应用的扰流元件，由

MANGLIK R M和BERGLES A E在层流、湍流及过渡流等操作条件下，用乙二醇和水作测试流体进行早期的理论分析和实验研究，研究结果证明了插入扭带对传热的增强作用[4]。MAN C Z等关于扭带长度对管内换热的影响做了一系列实验研究，结果表明，扭带长度变化对换热性能有较大影响，长1 800 mm的扭带其努塞尔数是光滑管的1.23～1.55倍[5]。FEIZABADI A等对装有扭带的U型管在不同纽率下，进行对流换热特性的实验研究，发现随着纽率的减小，努塞尔数和阻力系数呈上升趋势，与光管相比，努塞尔数和阻力系数最高分别增加了122.4%和78.4%[6]。

BUCAK H和YILMAZ F使用数值模拟方法研究了在恒定热流密度为5 W/cm2条件下，在扭带表面添加周期性的凹窝结构和凸起结构以及两种复合结构后换热性能的变化，结果表明，减少密集分布结构的扭带能够提升传热能力[7]。

RUENGPAYUNGSAK K等研究了矩形切口扭带的结构参数对管内换热特性的影响，实验结论表明，努塞尔数随着雷诺数的增加而增加，间距比和边宽比对管内换热有不同程度的影响，当间距比和边宽比增大时，管内换热性能和阻力系数随之降低[8]。FAGR M H等通过实验和数值研究的方法，研究了管内插入锥度递减结构的扭带对管内温度场和流场的影响，结果表明，插入扭带后的换热管努塞尔数均高于普通管光管，但部分研究工况下插入递减锥形扭带的换热性能与插入典型扭带的情况没有显著差异[9]。BAHIRAEI M等对一种新型螺旋扭带增强管进行了研究，通过外部机器与扭带连接，使扭带以一定转速在管内旋转并对不同扭率的扭带进行数值模拟，结果表明转动扭带的存在极其明显地扰动了热边界层，扭率的降低使流体对壁面造成了更有效的碰撞[10]。郑国伟在扭带边缘加上V形、半圆形和方形缺口，通过实验发现各种不同缺口的扭带对应的综合性能PEC值均大于1，其中方形缺口扭带的增强化热能力最强[11]。LIN Z M等设计了一种两侧带有平行四边形翼涡的扭带，采用数值模拟方法分析了翼涡在4种攻角和4种不同轴向间距方案下的强化传热，结果表明，新型扭带能有效地增强换热效果，在攻角为17.44°、轴向间距为1.25倍宽度时，努塞尔数提高179.9%[12]。

结合国内外学者对扭带的研究来看，主要是通过改变扭带结构造成换热管内流体不规则的扰动，使得流体冲刷管壁热边界层，促进管内高低温流体的掺混，实现增强换热的效果。为了提高碳化硅换热管对反应炉的取热能力，笔者在现有扭带研究的基础上设计了一种多叶扭带结构。通过增加扭带数量、调整结构参数，以单根换热管的努塞尔数、阻力系数等为评价标准，分析不同扭带结构带来的流动状态和传热特性，以求达到最佳性能。

1 物理模型和参数

图1为4种内置多叶扭带的碳化硅换热管物理模型。其中管长L=1800 mm，外径D=70 mm，内径d=50 mm。

图2为常规扭带的物理模型。文中定义扭带螺旋旋转一周的长度为节距，扭带纵向长度为宽度。其中节距b为600 mm，宽度a为40 mm，厚度h为2 mm。

图3为笔者设计的4种多叶扭带的结构示意图，多叶扭带为常规扭带同轴旋转组合而成，分别定义为三叶扭带、四叶扭带、五叶扭带和六叶扭带。三叶扭带每个扭带间的角度为180°;四叶扭带每个扭带间的角度为90°;五叶扭带每个扭带间的角度为72°;六叶扭带每个扭带间的角度为60°。扭带的节距b、宽度a和厚度h均沿用常规扭带的定义方法，扭带的叶数用y表示。

为了避免入口处局部表面传热系数较高而影响数值模拟结果及出口处出现回流等问题，在扭带强化换热段两侧各增加如图4所示的500 mm的充分发展段。

1.1 控制方程和边界条件

笔者通过SpaceClaim软件建立三维模型，利用Fluent软件在不同雷诺数下对换热管光管和内置扭带的换热管的传热特性进行数值模拟。为了平衡模拟计算的精度和速度，根据实际工程状况，同时以流体力学和传热学为基础，对换热管内传热和流动做了如下简化假设：

a. 管内流体流动为三维定常流动;

b. 忽略重力和浮力作用;

c. 不考虑辐射和自然对流传热;

d. 管内壁面假设为无滑移壁面条件。

基于以上假设，控制方程如下：

连续性方程  +div（ρU）=0（1）

动量守恒方程

+div（ρuU）=div（ηgrad u）+S-（2）

+div（ρvU）=div（ηgrad v）+S-（3）

+div（ρwU）=div（ηgrad w）+S-（4）

能量守恒方程

+div（ρUT）=div

grad T+S（5）

式中 c——定比热容;

p——压力;

S——流体的内热源及由于黏性作用流体在流动过程中机械能转换为热能的部分;

S、S、S——动量方程的广义源项;

T——温度;

u、v、w——速度矢量在3个坐标上的分量;

U——流的速度矢量;

η——流体的动力黏度;

λ——流体的导热系数;

ρ——密度。

入口边界设置为velocity?inlet;流体速度按目标雷诺数进行计算;出口边界采用pressure?outlet;扭带强化换热段外壁面设置固定壁温为1 073 K。

数值模拟计算设置Fluent压力基求解器;湍流模型选择k?ε模型，近壁面处理选择Enhance Wall Treatment;采用SIMPLIEC算法进行压力和速度的耦合，边界条件和控制方程采用标准压力和二阶迎风离散方案;各项残差收敛均设置为1×10-6。

1.2 数据处理

根据流体的密度ρ、速度u、管道特征长度d、导热系数λ和进出口压差Δp、管长l、壁面热流密度q、流体的算术平均温差ΔT，分别计算流体的雷诺数Re、努塞尔数Nu、阻力系数f、换热系数h：

Re=（6）

Nu=（7）

f=（8）

h=（9）

1.3 网格独立性验证及计算模型验证

在上述边界条件下，入口速度设置为10 m/s对碳化硅换热管光管进行数值模拟计算，以管内努塞尔数为参考对象，在保证计算精度的前提下选择表1所列5种网格数量进行计算。其中第4种网格数量的努塞尔数相对偏差最小为0.11%，综合考虑计算精度和计算机硬件计算能力，选择了网格数量为2 337 398的网格方案进行后续模拟计算。

为了保证计算结果的准确性，需要将模拟碳化硅光管的换热特性并与Gnielinski经验公式[13]的计算结果作比较。

Gnielinski公式：

Nu=1+

（10）

f=（1.8lg Re-1.5）（11）

式中 f——管内湍流流动的Darcy阻力系数，按Konakov公式计算;

l——管长;

Pr——普朗特数。

针对文中的变物性介质氦气还需要在式（10）右侧乘上温差修正系数c，其取值方法如下：

c=

（12）

式中 T——流体平均温度;

T——壁面温度。

计算结果对比图如图5所示，数值模拟计算结果较关联式相比最大误差为13.67%，且误差均小于20%，符合Gnielinski公式允许的误差范围，且两组数据的变化趋势相似，因此可认为数值模拟结果具有可信性。

2 结果分析及优化

2.1 模拟结果分析

图6为内置不同扭带模型的换热管的Nu随Re的变化情况。上文4种多叶扭带的叶数分别为y=3、y=4、y=5、y=6。从图中可以看出，4种扭带下的Nu数都随Re数的增大而逐渐增大，且均高于光管的Nu数。在相同Re下随着扭带叶数的增加，管道的Nu数也随着增加，较光管最高增大59.89%。扭带叶数越多时相同Re数下的管道的Nu数差异逐渐减小。这是由于内置扭带的原因使得光管内的流体流动产生扰动，进而使得部分流体具有二次流状态，加剧冷热流体掺混并削弱边界层热阻，提高努塞尔数。随扭带叶数的增加，对流体的扰动效果逐渐减弱。

图7为内置不同扭带模型的换热管的f值随Re数的变化情况。从图中可以看出，4种扭带模型下的f值均随Re数的增大而减小，但都高于光管的f值。低Re数时4种扭带模型下的f值差异较大，且随扭带叶数的增加而逐渐增大，而高Re数时由于流体流速较大，流体壁面处的黏滞阻力和扭带间的摩擦阻力影响相对减弱，使得每种扭带下f值的差异减小。

从经济效益方面考虑，强化传热技术带来的传热效率提升与克服流动阻力消耗的能源的净值是否为正，决定了该技术是否具有应用意义。WEBB R L提出的综合评价因子PEC（Performance Evaluation Criteria）是通过对流体的传热和阻力性能进行综合考量，得出强化传热性能的计算公式，目前被广泛采用[14]。

PEC计算公式：

PEC=（13）

其中，Nu、f分别为换热管强化换热区域的努塞尔数和阻力系数，Nu、f分别为光管换热区域的努塞尔数和阻力系数。

图8为内置不同扭带模型的换热管的PEC随Nu的变化情况。在高Re数时不同扭带下的PEC差异较大，部分工况下PEC<1不具有应用价值。在低Re数时由于流体流速较小，扭带能有效提高管内的努塞尔数，扭带间的差异较小;随流速的增大扭带的作用逐渐减小，内置扭带带来的阻力系数成为影响PEC的重要因素，在高Re数区域内扭带y=3下的PEC高于其他扭带。考虑在工厂的实际生产需求中，进口风速在10～20 m/s，属于低Re数区域。此时内置扭带y=4换热管的最大PEC为1.41，优于其他扭带。综合考虑换热管的换热能力和管道压降，选择扭带y=4即四叶扭带为后续研究对象。

2.2 模型优化

在确定将四叶扭带内置于碳化硅换热管内后，为进一步研究扭带的结构对换热性能的影响，对扭带的节距b和宽度a两个结构参数进行模拟实验。

2.2.1 扭带节距对传热特性的影响分析

图9是900、600、360、300 mm这4种不同节距扭带下的换热管PEC随入口速度的变化情况。随着速度的增加，换热管的PEC整体呈下降趋势，在15 m/s前，同一速度条件下PEC随节距的减小而增大，且增大幅度逐渐减弱。节距为300 mm时，扭带相较光管增加的Nu数开始小于其带来的阻力系数的影响，使得其PEC小于节距为360 mm。且在入口速度区间内节距为360 mm的扭带平均PEC最大，为最合适的节距选择。

图10所示由上到下依次为900、600、360、

300 mm这4种节距下换热管的横截面温度云图，通过云图可以观察到随着扭带节距的减小，换热管内的温度逐渐增大，对流换热能力逐渐增强，且节距360 mm相较于300 mm换热能力没有显著增强，且随节距的减小扭带的螺旋次数增大，造成管道进出口压差增大导致阻力系数增大，PEC随之减小。符合对上述PEC曲线的分析。

2.2.2 扭带宽度对传热特性的影响分析

图11是宽度为30、35、40、45 mm这4种情况下换热管PEC随速度的变化情况。换热管宽度为

45 mm的PEC强于其他宽度的扭带模型，且宽度相较于节距对PEC具有更显著的提升效果。在10 m/s速度条件下的PEC最大为1.59，相较于最初选型时的1.41，PEC提升12.77%。随扭带宽度的增大，扭带对换热管内流体的扰动程度加剧，在宽度为45 mm时，此时Nu数为43.75，相较于宽度为

30 mm时增加50.72%，强于扭带带来的阻力系数增加。相较于光管的Nu数提升244.37%。综上所述选择宽度45 mm为扭带的结构参数。

图12为4种不同宽度四叶扭带在换热管出口处横截面的合速度云图。通过速度云图的分布，可以直观看到随扭带宽度的增大，扭带对管道内流体的扰动也随之加剧，同时使管内流动方式产生二次旋流，可以起到增强管内流速的效果;在扭带宽度为40、45 mm时，可以观察到扭带对换热管边界明显的冲刷效果。以上两种原因都使得管内换热能力增强。符合对上述PEC曲线的分析。所以扭带宽度为45 mm时换热管的综合换热性能最强。

速度云图

3 结论

3.1 以换热管内努塞尔数为参考，将Gnielinski经验公式和数值模拟所得结果进行对比，两者误差值大部分都在10%的误差内，符合Gnielinski公式的精度要求，验证了数值模拟方法的可行性。

3.2 用数值模拟方法对不同雷诺数下内置4种多叶扭带的碳化硅换热管进行对流换热研究，以努塞尔数、阻力系数和综合换热性能为参考，根据数值模拟结果，内置四叶扭带的换热管具有更优的换热性能。此时换热管的努塞尔数相较于光管最大提升162.72%，综合换热性能为1.41。

3.3 对自定义的4种多叶扭带的宽度和节距两种结构参数进行研究，结果表明：扭带宽度对换热能力的增强相较于节距具有显著影响，扭带宽度的增加产生了二次旋流，使管内流体发生了更剧烈的扰动。扭带节距为360 mm、宽度为40 mm时，换热管的综合换热性能最优为1.59，相较于最初选型时提升12.77%，此时努塞尔数相较光管提升244.37%。

参 考 文 献

[1]  BERGLES A E.ExHFT for fourth generation heat transfer technology[J].Experimental Thermal and Fluid Science，2002，26（2?4）：335-344.

[2]   党伟.管内插绕花丝强化传热特性的实验与数值研究[D].兰州：兰州交通大学，2021.

[3]   李朝.管壳式换热器增强复合螺旋内插件工作特性及强化传热研究[D].北京：北京化工大学，2021.

[4] MANGLIK R M，BERGLES A E.Heat transfer enhancement and pressure drop in viscous liquid flows in isothermal tubes with twisted?tape inserts[J].W?rme?und Stoffübertragung，1992，27：249-257.

[5]   MAN C Z，YAO J Y，WANG C.The experimental study on the heat transfer and friction factor characteristics in tube with a new kind of twisted tape insert[J].International Communications in Heat and Mass Transfer，2016，75：124-129.

[6]   FEIZABADI A，KHOSHVAGHT?ALIABADI M，RAH?

IMI A B.Experimental evaluation of thermal perform?

ance and entropy generation inside a twisted U?tube equipped with twisted?tape inserts[J].International Journal of Thermal Sciences，2019，145：106051.

[7]   BUCAK H， YILMAZ F. Heat transfer augmentation using periodically spherical dimple?protrusion patterned walls of twisted tape[J].International Journal of Thermal Sciences，2022，171：107211.

[8]   RUENGPAYUNGSAK K，KUMAR M，CHUWATTAN?

AKUL V，et al.Experimental Study of the Effects of Inclusion of Rectangular?Cut Twisted Tapes on Heat Transfer and Pressure Drop in a Round Tube[J].Ara?

bian Journal for Science and Engineering，2019，44：10303-10312.

[9]   FAGR M H，RISHAK Q A，S MUSHATET K.Perform?

ance evaluation of the characteristics of flow and heat transfer in a tube equipped with twisted tapes of new configurations[J].International Journal of Thermal Sciences，2020，153：106323.

[10]   BAHIRAEI M，MAZAHERI N， DANESHYAR M R.CFD analysis of second law characteristics for flow of a hybrid biological nanofluid under rotary motion of a twisted tape：Exergy destruction and entropy generat?

ion analyses[J].Powder Technology，2020，372：

351-361.

[11]   郑国伟.正反90°扭带在圆管中的强化换热性能研究[D].大连：大连理工大学，2022.

[12]   LIN Z M，WANG L B，LIN M，et al.Numerical study of the laminar flow and heat transfer characteristics in a tube inserting a twisted tape having parallelogram winglet vortex generators[J].Applied Thermal Engineering，2017，115：644-658.

[13]   陶文铨.传热学[M].5版.北京：高等教育出版社，2019.

[14]   WEBB R L.Performance evaluation criteria for use of enhanced heat transfer surfaces in heat exchanger design[J].International Journal of Heat and Mass Transfer，1981，24（4）：715-726.

（收稿日期：2023-06-26，修回日期：2024-05-08）