李洪亮，关延军，刘嘉渝，门启明，杜柯江

(1.中国石油云南石化公司，云南 昆明 650399；2.中国石油吉林石化公司 乙烯厂，吉林 吉林 132021；3.中国石油吉林石化公司 建修公司，吉林 吉林 132021；4.上海船用柴油机研究所，上海 201108)

横纹管出现于20世纪70年代，是一种强化传热管，主要用于管内传热的强化。其以光管为基管，通过滚压的方式在换热管上制作周期性的凹槽，使介质在管内流动时形成涡流，破坏边界层，达到传热强化的目的[1-2]。经过多年的发展，横纹管换热器的设计、制造技术已经成熟，公开发表的研究也比较多。Arman[3]、庄礼贤[4]以及黄德斌[5]等采用实验或数值模拟的方法研究了横纹管的管内传热性能。不过关于横纹管管外传热性能的研究还比较少见，仅江楠等[6]给出了横纹管管壳式换热器的设计计算方法。

相比于普通光管，由于管外存在凹槽造成的扰动，横纹管能够起到一定的管外传热强化作用，但并不明显。基于这一特点，作者通过在横纹管管外直边段加工外螺纹的方式增强其管外流体扰动，进一步提高其传热性能。

1 新型外螺纹横纹管

外螺纹横纹管以横纹管为基管，其直边段加工标准外螺纹，以充分利用管外直边段结构，从而强化其管外传热。为了方便标准化制作，直边段新增外螺纹为标准螺纹尺寸。以此为依据确定新型换热管的结构见图1。

图1 外螺纹横纹管

虽然从原理上分析，新型换热管能够增强管外的流体扰动，对管外传热有积极的作用，但作为一种新型强化传热管，目前并不能定量说明其管外传热强化程度。

为解决这一问题，作者采用数值模拟的方法，研究外螺纹横纹管的管外传热和流动特性，通过管外流体的速度分布和温度分布规律，分析其管外强化传热机理。同时，比较相当尺寸和边界条件下，外螺纹横纹管和普通横纹管的传热和流动效果，直观地说明外螺纹横纹管对管外传热的强化作用。

2 计算模型

2.1 几何模型

考虑到普通横纹管具有管内强化传热作用，确定几何尺寸时，以相关文献[7]中对普通横纹管管内传热研究给出的最优几何结构作为本节数值模拟的基管结构，在该结构管外直边段上添加外螺纹，以得到综合传热性能最好的新型换热管结构。作者模拟采用的外螺纹横纹管及用于对比的普通横纹管结构尺寸见图2、表1。为了对比不同螺纹尺寸新型换热管的传热能力，建立了三种不同螺纹高度的几何模型。

a 外螺纹横纹管

b 普通横纹管图2 几何模型

mm

2.2 网格划分

根据以上几何结构及尺寸创建的几何模型和网格划分情况见图3，图中的外螺纹横纹管为螺纹齿高为1 mm的模型。

a 普通横纹管

b 外螺纹横纹管图3 几何模型及网格划分

2.3 边界条件

数值模拟参考文献[8](主要内容是波纹管壳程流动与传热数值模拟)中用于其它形式强化管传热数值模拟的边界条件设置，选择速度进口作为入口边界条件(velocity inlet)，出口边界设置为自由出口(outflow)。

由于建模时没有考虑管内的流动区域，管外流体的受热升温过程通过在换热管外壁面给定一个较高的温度实现，模拟壁面温度设为90 ℃。同时，为了使外螺纹横纹管与普通横纹管的对比更加明显，需给定较大的传热温差，设定进口边界温度为20 ℃。介质定性温度采用试算的方法确定，首先采用进口温度20 ℃时流体物性进行试算，计算得到相应的出口温度，再用进、出口温度的平均值作为最终的定性温度进行计算。试算得到管外出口温度为22.88 ℃，定性温度为进出口平均温度21.44 ℃，因此采用21.44 ℃时水的物性作为介质温度进行计算。

在壁面边界条件设置对话框中勾选壁面热传导，壁面材料为不锈钢(stainless steel)，给定壁面厚度为2 mm。这样操作会使Fluent在计算过程中自动考虑壁面的导热，因而不用在建立几何模型时额外建立真实的壁厚，简化了整个计算过程。

计算模型里勾选能量方程选项(Energy)。黏度模型选择标准k-epsilon模型，标准壁面方程。压力速度求解器选择SIMPLE，动量、能量方程求解方法选择二阶迎风格式(Second Order Upwind)。

计算过程中监测出口的温度值，以此来判断计算是否收敛。定义收敛条件为默认条件，即能量方程残差小于1×10-6收敛，其余方程小于1×10-3收敛。计算过程中监测换热管壁面传热量，以此来判断计算是否收敛(随着迭代的进行，壁面传热量稳定在某一特定值，认为计算收敛)。

3 结果分析

3.1 流动分析

由于传热与流动存在一定的关系，分析新型换热管管外流动情况，通过对比外螺纹横纹管与普通横纹管管外速度云图，得到两种换热管管外流动情况，进而分析新型换热管强化传热机理。

普通横纹管及外螺纹横纹管管外横纹槽处的速度分布见图4。从图4可以直观地看出外螺纹对于流动的扰动。普通横纹管在横纹槽之间直边段位置的速度等值线基本与管壁平行，只是在横纹槽的位置会由于流动区域的突然变大和变小造成速度等值线的波动。而外螺纹横纹管由于其直边段存在螺纹，流体在这一区域的流动呈现出一定的波动。该种波动也会朝着远离管壁的区域扩散，表现在图中即是外螺纹横纹管的管外高速流动区域更大。

螺纹的存在引发的流体扰动能够持续破坏流动边界层，使得直边段的传热更加剧烈，也就在一定程度上增强了整根换热管的传热。而且这种复杂的流动使换热管的抗结垢能力增强，对于传热也有很大的促进作用。

a 普通横纹管

b 外螺纹横纹管图4 局部速度云图

3.2 传热分析

3.2.1 改造前后传热对比

为了方便对比，数值模拟了不同流速下外螺纹横纹管和普通横纹管的传热情况。利用数值模拟得到的1 mm齿高外螺纹横纹管和普通横纹管的各种传热及流动参数，对其传热和流动阻力进行定量对比。从模拟结果中导出原始参数见表2。

表2 原始计算数据

为了评估在管外这边段加工外螺纹对横纹管管外传热的强化程度，通过以上数据计算得到两种换热管管外Nu，其随Re变化的情况见图5。

Re图5 Nu随Re变化

从图5中可以发现，两种结构的换热管其管外Nu均随Re增大而增大，但外螺纹横纹管管外Nu并非一直大于普通螺纹管，两者的曲线在Re=8.7×104有所相交。也就是说，在Re较小时，外螺纹横纹管管传热效果更好，而当Re达到一定程度后，反而是普通横纹管的传热能力更强。这是由于Re较小时，流速较小，使得外螺纹的扰动作用能够充分发挥，而当流速变大后，外螺纹带来的扰动反而不如本身的湍流扰动，反而形成了一定的阻碍作用。所以，对比所采用的外螺纹横纹管适用于9.4×103

虽然随着Re的增大会出现外螺纹横纹管管外Nu小于普通横纹管的情况，但从表2可以发现，外螺纹横纹管总传热量始终大于普通横纹管。即使Re增大到一定值以后外螺纹横纹管的传热能力不再大于普通横纹管，但由于直边段的螺纹使整个换热管传热面积有所增加，总的管外传热量仍然大于普通横纹管，管外传热还是得到了强化。

3.2.2 不同螺纹尺寸传热能力对比

对建立的三种尺寸(0.5、1、1.5 mm齿高)外螺纹横纹管管外传热进行对比，选出具有最佳管外传热性能的外螺纹横纹管，为工程应用提供参考。

不同齿高外螺纹横纹管管外Nu随Re的变化见图6。

Re图6 不同螺纹尺寸Nu对比

由图6可以看出，管外Nu随着Re的增大而增大，也就是说流动速度越快，外螺纹横纹管传热效果更好。三种不同螺纹齿高的外螺纹横纹管管外Nu相差不多，但从具体数据来看，在具有相同的Re的前提下，1.5 mm齿高Nu最大，0.5 mm齿高Nu最小。这说明螺纹齿高越大，其对管外流体的扰流作用更强，换热管传热能力更强。但总的来说，三种不同齿高的外螺纹横纹管管外Nu相差不多，可以近似认为螺纹尺寸对于传热没有影响。

3.3 压降分析

3.3.1 改造前后压降对比

两种换热管压降对比见图7。从图7可以看出，两种形式换热管的管外压降均随Re的增大而增大。而且无论在什么流速范围，外螺纹横纹管的管外流动阻力降始终高于普通横纹管。这说明在横纹管管外直边段上加工的螺纹对于流动阻力的影响比较明显，且随着Re的增大，其管外压降增大的比例越大。在考察范围内，流速为10 m/s时两者相差最大，为10.11%。

Re图7 压降随Re变化

3.3.2 不同螺纹尺寸压降对比

不同螺纹尺寸外螺纹横纹管管外进出口压降对比见图8。

Re图8 不同螺纹尺寸压降对比

由图8可以发现，随着螺纹深度的增加，外螺纹横纹管管外流动阻力损失逐渐增大，三种尺寸中，1.5 mm齿高压降最大。三中螺纹尺寸阻力降相差比例在Re最大时达到最大值，为5.38%。考虑到之前Nu对比结论，认为螺纹齿高较小的0.5 mm结构为传热和阻力损失综合性能较好的外螺纹横纹管结构。

4 结 论

通过对横纹管的结构进行分析，提出一种在横纹管基础上提高管外强化传热能力的新型外螺纹横纹换热管。采用数值模拟的方法对外螺纹横纹管的流体状态和传热性能进行了研究，并和普通横纹管进行了对比分析。主要结论如下。

(1) 新型外螺纹横纹管将横纹管与外螺纹换热管结合，通过在横纹管外壁面加工外螺纹得到，使横纹管的管外传热能力进一步增强；

(2) 与普通横纹管相比，外螺纹横纹管对于管外的传热有比较明显的强化，其管外Nu最大增加比例为43%。但随着Re的增加，强化效果逐渐减弱，到Re增大到一定程度时，其管外传热能力反而不如普通横纹管。不同几何结构外螺纹横纹管对比发现，管外螺纹螺距更大，螺纹牙更高，螺纹造成的流体扰动作用更强，传热效果更好；

(3) 外螺纹横纹管管外阻力损失比普通横纹管大，增大程度与螺纹高度有关，螺纹牙越高，压降越大。考虑到随着螺纹牙高度的增加，Nu的增加很微小，因此，螺纹牙较低的外螺纹横纹管具有更好的综合性能。

参 考 文 献：

[1] 陆应生,庄礼贤,阮志强,等.高效换热元件——横纹管[J].化工进展,1988(3)：10-13.

[2] 曾文明.新型高效换热器[J].制冷,1985(3)：126-139.

[3] ARMAN B,RABAS T J.Two-layer-model predictions of heat transfer inside enhanced tubes[J].Numerical Heat Transfer,1994,25(6)：721-741.

[4] 庄礼贤.强化传热元件的研究进展[J].制冷,1992 (4)：27-38.

[5] 黄德斌,邓先和,邢华伟.异形管内水力、传热性能的数值模拟[J].高校化学工程学报,2003,17(2)：146-150.

[6] 江楠,张术宽,俞惠敏.横纹管管壳式换热器设计计算方法简介[J].石油化工设备技术,2002,23(1)：6-8.

[7] 李洪亮,柳坤.横纹管强化吸收器的传热传质实验研究[J].化学工程,2011,39(1)：14-18.

[8] 王钰沛.异形管换热器壳侧对流换热数值模拟与实验研究[D].天津：天津大学,2013：22-24.

Analysisonheattransferenhancementofthenewpattern