覃豪 宋小鹏* 何秀锦 古小敏 王斌武

(桂林航天工业学院 能源与建筑环境学院，广西 桂林 541004)

套管式换热器结构简单，能效高，在工业生产中具有广泛的应用。大量科研工作者通过实验或数值计算研究了套管换热器内的流动或换热特性[1-5]，或通过换热强化研究了套管换热器[6-7]；或研究了结构对换热器换热能效的影响[8-9]。尽管套管结构简单，但其内部流动并不均匀，管道内存在非对称流动，该方面研究文献较少；非对称的流动可能会形成流动或换热“死区”，导致换热效能下降，甚至结垢，最终可能会增加维护成本。因此研究套管换热器内的非对称流动，有一定研究价值。

1 物理模型与数学模型

1.1 物理模型

套管式换热器实验装置如图1，由套管、加热装置、流量传感器和测温装置等构成。换热器套管共6层，各层套管中心线的垂直间距83 mm，相邻水平段套管中心线间距90 mm，各水平段的平直套管各长600 mm，内层套管直径7 mm，外层套管19 mm，壁厚均为1 mm，管道材料为不锈钢。

图1 套管换热器设备与模型逆流模式下

1.2 数学模型

1.2.1 流动与传热控制微分方程

使用三维稳态层流的连续性方程、Navier-Stokes方程和传热方程对换热器内的温度场和流场进行计算。壁面处的流体与套管壁面温度相同，热流强度也相同。控制偏微分方程如下：

表1 控制微分方程组公式表

其中，u、v、w是流体速度在x、y、z方向上的分量，t为流体温度，P为压强；Fx、Fy、Fz是体积力在x、y、z方向上的分量；λ、ρ、cp、μ分别是流体的导热系数、密度、比热和动力粘度。

1.2.2 边界条件