郑雅婷 陈忠海

(河北建筑工程学院 能源工程系，河北 张家口 075000)

1 引 言

随着经济的高速发展，大家逐渐对能源的短缺问题开始有所关注，因此对新能源的开发以及高效利用显得尤为重要，这个问题也是目前急需要解决的，以便达到节约能源的效果.人们逐渐的对换热效率的提高，以及通过使用新的技术增强换热的问题进行了大量的研究.针对于管径的研究，大家研发了波纹管、螺纹管、翅片管、缩放管等来达到强化换热的效果.蛇形换热管作为一种换热设备，相对来说已经比较成熟了，并且加工较简单、容易清洗以及它的适应性比较强，而且在粘度较高的流体换热方面，适用性较高.

蛇形换热管内的流体在经过蛇形管弯头时，在管壁会形成漩涡，由于这些漩涡的存在，会使得流体的流动相对来说会变得复杂.并且在蛇形管弯头的后半段会形成二次环流，二次环流的形成会增强管内流体与管壁的换热，但是另一方面也会增加流动阻力.普通蛇形管在弯头处会增强换热，但是直管段的换热效率要低，因此，针对直管段的换热速率低的问题对普通蛇形管进行改造，使得在增强管内流体的换热的同时，使得它的阻力较低.突扩管的拐角处会形成漩涡，然后再突缩管段得到利用，会对边界层起到一个冲刷的作用，从而可以使换热加强.因此本文通过对普通蛇形管的直管段进行改变，从而提高蛇形管整体的换热效果.

2 数学模型

主要利用数值模拟方法对换热特性进行分析，使用Gambit建立三维模型、划分网格、定义边界层，然后将模型导入Fluent软件进行运算求解，研究分析蛇形管的换热特性.

2.1 变径蛇形管几何模型

为了能过更加清楚直观的了解蛇形管内部的换热规律，建立了相应的几何模型，其模型见图1，基本尺寸见表1：

图1 变径导热油管模型图

表1 6种模型的尺寸参数

2.2 数学模型

湍流模型目前使用最广泛是κ﹣ε模型，有大量的工程应用实践表明，该模型可以应用于计算复杂的湍流，该模型可以对平壁边界层的流动进行较好的预测，比如它可以较好地预测平壁边界层流动，以及流体在管道内、通道内、喷管内的流动等.本文中导热油管中的流体换热采用RNG k-ε模型建立数学模型.

在数值计算中,湍流模型采用RNG k-ε湍流模型.使用SIMPLE[1]算法解决压力与速度耦合问题.管内流动介质为联苯混合物导热油,给定流体的进口流速为0.5m/s，进口温度为20℃,管外壁取恒壁温400℃.

2.3 强化传热技术的评价准则

Bergles和Webb[2]对各种强化换热的技术进行过较详细的讲解，针对各种强化技术的特点和适用场合都进行了详细的说明.通过一些方法来提高系统的换热能力和换热效率从而达到强化换热的目的，并且在此基础上尽可能的减少功的消耗.对于多数的强化技术在增强设备的换热能力基础上，都会使流动阻力有不同程度的增加，所以就会导致设备的综合换热能力有所减弱.所以，在考虑增强换热效果的同时，也要对流体的阻力进行研究，这样才有对换热技术的综合的评价结果.目前公认的评价指标是PEC[3](绩效评价标准),可以理解为相同泵功下，强化管和普通管换热效果的比较.当PEC>1时，表明强化管的换热性能要比普通蛇形管的强.

PEC值的计算公式为：

式中，Nu表示变径蛇形管的努塞尔数，Nu0表示普通蛇形管的努塞尔数,f表示变径蛇形管的阻力系数，而f0表示普通蛇形管的阻力系数.

3 模拟结果

3.1 速度分析

取第一匝蛇形管直管段部分，分别取距离中心1.7mm、3.2mm、4.1mm直线，导入tecplot软件分析在不同位置段流体速度的变化，结果如下图2，最上边的是距离中心为4.1mm处速度的变化，中间的是距离中心为3.2mm处速度的变化，最下边是距离中心1.7mm处的速度变化.从图中可以看出距离中心处越近速度相对越小，在接近管壁处由于管径扩缩周期性的变化，靠近管壁的速度要大一些.

图2 不同位置处速度变化图

3.2 换热特性研究

通过对上述6种导热油管进行数值模拟，为了比较6种管型的平均努塞尔数、阻力系数以及综合性能评价系数，采用对数平均温差的方法进行数据处理，各参数定义如下：

(1)平均温差△tm

tf=tw-Δtm

式中tout为导热油出口温度，tin为导热油进口温度，tw为蛇形管壁面温度.

(2)努塞尔数Nu

Nu=0.023Re0.8Pr0.4(μf/μw)0.14

式中μf为导热油温度为tf下的动力粘度，μw为壁温为tw下的动力粘度.

(3)流动阻力系数f

式中Δp为导热油进出口压差，L为蛇形管长度，ρf为导热油温度为tf下的密度.

为了分析上述6种模型管内换热及阻力情况,对6种蛇形管内流体的努塞尔数、阻力以及PEC进行了研究,并与普通蛇形管进行对比.结果如表2，强化管的直管段改为缩放管周期性变化结构对管内流体流动和传热的影响起了显著强化作用,收缩段和扩张段的周期性变化增强了管内导热油的湍流强度，使得管内导热油的流速增加，高速流体冲刷管壁面流体边界层，达到强化传热效果.

表2 强化管综合性能对比

通过对比可以发现，在相同边界条件情况下,随着槽深的增大,Nu增大，即管内传热效果增强,且均明显高于普通蛇形管的Nu.然而,随着槽深的增大，阻力系数也在增大，Nu的提高以消耗流体流动阻力为代价.通过采用综合换热性能进行对比分析，发现编号3和编号5的管段PEC值均大于1，也就是说获得的收益要比付出代价的大，说明使用该种蛇形管可以有效的增强换热，并且最好的管径是编号3的管.

3 结 论

通过把普通蛇形管的直管段改为缩放周期性变化的管径，因为交替变化的管径对管内流体的扰动增大，从而会提高管内流体的速度，从而可以增强管内流体与管壁的换热.

研究结果表明,随着管径的改变在增强换热的同时，则增加了管内导热油的流动阻力，在研究范围内，槽深的蛇形管要比槽浅的蛇形管换热效果要好，是因为槽深的蛇形管对管内的流体扰动要更加强烈一些，普通蛇形管进行改造后，使管内流体产生涡流和二次流,促进核心流体和边界层流体的混合，强化了对流换热；管内流体的阻力降也显著增加.在研究范围内,槽深为1mm,收缩段为扩张段的2倍时强化管综合性能与普通蛇形管相比是最优的.