芦 娅 妮

(陇东学院 化学化工学院，甘肃 庆阳 745000)

1 内插扭带强化传热机理简介

在炼油化工行业，对于高粘度流体这种特殊介质，由于其粘度高的特点很容易结垢，所以在换热过程中要考虑其粘性，而现在常用的换热设备是管壳式换热器，管壳式换热器不易清洗，所以对于高粘度流体应用最为广泛的是板式换热器，而板式换热器通道间距较小；同时在对流传热过程中，高黏度流体还有传热系数低、动能消耗大等特点，因此换热器的传热效率低。要解决上述问题，研究人员经研究发现，在传统换热管内插入螺旋扭带可以出现螺旋涡，从而提高管内传热效率。

传统换热管内插入扭带是管内强化传热的一种新型方式，是将扭带本身作为一种扰动元件固定在普通换热管内，插入的扭带不仅可以加强流体的湍动，还可以增加流体在管内流动的距离，使得管内流体可以沿着扭带螺旋流动，使流体沿螺旋带流动时由于离心力的作用而产生二次涡流，二次涡流的形成可大大增强壁面附近流体速度脉动，从而提高换热效果。内插扭带具有结构简单、拆装方便、性能稳定等优点，在对现有管壳式换热器进行改造时具有明显的优势[1-4]。

2 数值模拟前处理

2.1 建立模型

本文研究的计算模型通过三维软件PROE建立，建立长度L=600mm,直径D=40mm的换热管如图1所示，内插扭带模型如图2所示，本文研究中取三种内插扭带螺距分别为S=40mm、45mm、50mm。管内介质设置入口温度为80℃的水，壁温为298℃，流量从5t/h到25t/h。

图1 内插扭带管模型图

图2 内插扭带几何模型

本文研究中流体在管内流动时各流场的参数随时间是不发生变化的，因此管内流体的流动可看做是单相稳态流动，同时在我们所研究的速度范围内，流速都是比较小，所以管内流体是不可压缩、充分发展的流动，可忽略重力的影响。即对该模型做出如下假设：(1)流体物性参数不随时间变化，为定常值；(2)流体为不可压缩的牛顿流体；(3)忽略重力和浮生力的影响；(4)忽略流体流动时的黏性耗散作用产生的热[5]。

CFD流体模型基于以下假设：

连续性方程：

动量方程：

能量守恒方程：

2.2 数值模拟计算步骤

本文内插扭带换热器的模拟计算部分主要分三点，具体如下[6]：

(1)模拟前处理阶段：包括建立三维模型、网格划分和网格检查。

(2)数值计算阶段：包括FLUENT软件的网格读入、模型控制方程的确定、模拟边界条件的确定、FLUENT迭代计算。

(3)模拟后处理阶段：包括数值和云图的输出。

3 传热及流动阻力性能的模拟分析

3.1 流速分布分析

首先通过PROE建立三维模型，以内插扭带S=40mm模型为例导入前处理软件Gambit进行网格划分，采用六面体划分网格，然后导入到Fluent软件进行计算。选择标准RNG k-ε模型，利用SIMPLE算法对以上方程进行求解，可得到流体的流动特性分布图，计算出努塞尔数Nu和阻力系数fc。

图3、图4分别为光管和内插扭带管管内轴向截面流速分布整体图，由于关闭的粗糙度和流体的粘度，使得管内壁存在较小的流速梯度，管轴线处存在最大流量；但是在管内插入扭带后，扭带的螺旋导向作用就会改变管内流动的稳定性，沿着轴线方向内插扭带管内速度分布呈旋涡状，扭带对流体产生径向及切向力起到旋流作用，流体沿扭带流动在旋流的作用下提高流速，出现扰流效果。

图3 光管流体流速分布整体图

图4 内插扭带管流体流速分布整体图

图5、图6分别为管内横向截面流速分布截面图，从图5可以看出，光管的管壁处出现明显的梯度层，而在轴心处流速基本相等；内插扭带管内流体形成了明显的绕流，产生旋转并引起二次流近壁处切向流速增大，这使管内流体径向速度增大、湍流强度增加强化传热。同时，研究表明在离心力影响下管中心流体和壁面边界层流体充分混合，造成一个温度比较均匀、流度变化较为明显的核心区域，同时在换热壁面附近造成一个温度和速度变化均比较先祖的边界层区域，从而达到强化传热的效果[7-9]。

图5 光管流体流速分布截面图

图6 内插扭带管流体流速分布截面图

对比图3到图6光管与内插扭带管内速度分布云图可以看出，内插扭带管内流体流速高并且变化更为剧烈，说明内插扭带管管内湍流强度更强，Nu数更大传热效果更好。

3.2 传热和阻力性能分析

模拟不同雷诺准数Re(简称雷诺数)下的Nu及fc值，光管与内插扭带管的Nu及fc值的变化如图7、图8所示，可以看出光管和内插扭带管Nu数随着Re数的增大而增大；fc数随着Re数的增大而减少。当Re数相同时，内插扭带管的Nu数与光管相比提高80%左右，而随着Re数的增大，光管和内插扭带管的fc数远远大于光管，提高了约200%左右，这与吴双应和辛明道实验数据相符[10-12]，这主要是由于管内插入扭带后管道流型容易发生变化。

图7 光管和内插扭带管Nu值随Re变化图

图8 光管和内插扭带管fc值随Re变化图

图7、图8表明内插扭带管强化换热是以牺牲压降为代价，一般认为，流体在管内沿着扭带旋转流动及二次流的存在，使流体能量损失增大，同时流动路径增长也增大了流动摩擦面积，这些都是内插扭带管相比光管流动阻力较大的原因。

3.3 不同螺矩扭带换热管的的性能分析

为研究改变内插扭带形状而导致管内流体传热特性的变化，对比分析了三种不同螺距的扭带。采用控制变量法，只改变扭带螺距，保持其他参数不变，对比分析三种扭带的努塞尔数Nu及阻力系数fc值。

3种不同螺距扭带具体参数如表1所示，Nu及fc值如图9、图10所示。

表1 三种不同螺距扭带参数

图9、图10表明对内插扭带管来说，可以看出当Re数相同时，Nu数随着螺距增加而缓慢增大；fc数随着螺距增加而逐渐增大；而雷诺数增大时，不同螺距条件下的Nu数呈直线增大。

图9 三种不同螺距内插扭带管的Nu值随Re变化图

图10 三种不同螺距内插扭带管的fc值随Re变化图

从图中还可看出，三种不同螺距扭带Nu及fc值随Re数变化趋势完全保持一致，内插扭带强化换热会引起努塞尔数和摩擦阻力同时增大，说明螺距增加有利于二次涡，这使流体流动更加剧烈，能起到强化传热的效果。

4 结论

通过数值模拟分析，内插扭带管的Nu数随着Re数的增大而增大，相同Re数下内插扭带管的Nu数与光管相比提高56%-94%；内插扭带管的fc数随着Re数的增大而减小，相同Re数下内插扭带管的fc数与光管相比提高200%-280%；对于不同螺距的内插扭带管，当Re数相同时，Nu数随着螺距增加而增大，fc数随着螺距增加而增大。综上所述，内插扭带管会增加管内压降来强化传热，以增大换热面积和换热效果。