螺旋扁管的换热性能研究

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1、石油机械—22—CHINAPETROLEUMMACHINERY2008年第36卷第2期!专题研究#螺旋扁管的换热性能研究3刘敏珊宫本希董其伍(郑州大学河南省过程传热与节能重点实验室)摘要以雷诺数小于1000的流体为研究对象进行模拟研究,比较螺旋扁管和螺旋椭圆扁管之间的差别,同时分析2种管横截面的场协同角,并与直扁管和直椭圆扁管进行对比。结果认为,2种螺旋管壁面努赛尔数随雷诺数的增大而增大,变化趋势逐渐减缓;2种螺旋管的综合性能评价因子随雷诺数的增大而增大,且螺旋扁管的要高于螺旋椭圆扁管,在此工况下应选用螺旋扁管。自支撑结构的螺旋管,在相同雷诺数下,螺旋椭圆扁管的压力损

2、失小于螺旋扁管,但其传热性能却不如螺旋扁管。关键词螺旋扁管螺旋椭圆扁管场协同角传热性能数值模拟扁管和螺旋椭圆扁管之间的差别,得出效果较好的引言一种,同时分析2种管横截面的场协同角,并与直扁管和直椭圆管进行对比。螺旋扁管是瑞士Alards公司早在1984年首先提出并设计制造,经美国Brown公司改进的一种换模型建立及初始条件热管,其结构特点是管子换热段的任一截面均为一长圆。我国学者在椭圆管的基础上开发了一种螺旋11几何物理模型椭圆扁管,它是将椭圆管按一定的导程扭曲而笔者采用<25mm×215mm的标准钢管来制取[1]成。螺旋管的制造由压偏和热扭2个成形过程完螺旋管,管道

3、内壁周长约为6218mm,在由圆管经成。前人在实验或者模拟上做了很多工作,鞠在压扁热扭加工成螺旋管的过程中,管的截面周长不[2][3]堂详细介绍了螺旋扁管的优点;梁龙虎试验变。因此,采用扁管及椭圆管的内壁尺寸都满足截比较研究了雷诺数在1000～16000的2种螺旋扁面周长为6218mm。在对管内流动及传热进行模拟[4]管和光管的传热及流动阻力性能;张杏祥等用过程中,分别对不同雷诺数的螺旋扁管和螺旋椭圆三维数值模拟方法研究了各个参数对螺旋椭圆扁管扁管进行比较分析。2种类型管的雷诺数都分别取换热及压力损失性能的影响,并回归了关联式;黄300、500、700和900。[5]

4、德斌等用实验研究的方法,归纳出螺旋扁管内由于该种类型换热器为管间自支撑结构,常规[6]阻力及传热公式;李春兰说明了螺旋扁管换热换热器管径为25mm时,管间距为32mm,所以器良好的传热性及抗结垢性能适合于高粘度流体的扁管和椭圆管内流体的截面长轴均取27mm。按照换热要求。等周长的特点,经计算螺旋扁管截面尺寸为长轴综合各篇文献所做的工作,几乎都集中在雷诺a=27mm,半圆直径b=7172mm;螺旋椭圆扁管数在1000以上,对雷诺数在1000以下的流动往的截面数据为长轴a=27mm,短轴b=1114mm。往只是一笔带过,指出在对于流体粘度大,一侧或2种管的截面示意图如图1

5、所示。[7-8]两侧均为层流的换热器,其换热效果尤为突出,但21数学模型几乎没有实验或模拟分析。因此,笔者就以雷诺数管内流体满足的控制守恒方程如下。小于1000的流体为对象进行模拟研究,比较螺旋连续方程为3基金项目:河南省杰出人才创新基金项目(0621001600)。©1994-2010ChinaAcademicJournalElectronicPublishingHouse.Allrightsreserved.http://www.cnki.net2008年第36卷第2期刘敏珊等:螺旋扁管的换热性能研究—23—9(βρ)9(βρui)(2)流道内流体物理性质稳定;+

6、=0(i=1～3)(1)9t9xi(3)流体为牛顿流体;动量方程为(4)所取周期性流道内流体的流动为周期性9(βρui)9(βρuiuj)充分发展,不受管内进出口的影响;+=9t9xi(5)流体通过单元流道后无质量增量,流道9βμ9ui-9p-fX内无其他源项;ii9xj9xj9xi(6)不考虑重力。(j=1～3)(2)检查节点数和网格质量后,在Fluent中选用离能量方程为散求解器和层流模型,打开能量方程,并在边界条SSSSρCS9T+CSu9T+v9T+w9T=件中作如下设置:关于温度条件,将管壁温度设置VP9t9x9y9Z为400K(相当于管程通过蒸汽冷凝加热)

7、;将介WSαS(T-T)(3)质的入口温度设置为300K,操作条件为标准大气压;边界条件中壁面为标准无滑移壁面;周期性条件中设置单元流道内流体的质量流量,SIMPLE压力2速度耦合算法;动量和能量离散均采用二阶差分迎风格式。41初始条件设定图1螺旋扁管截面示意图(1)螺旋扁管周期性进口温度Tin=300K,31数值模拟方法恒定壁温TW=400K,雷诺数分别取300、500、考虑到计算机资源有限,笔者采用周期性模700、900进行模拟;型,分析流体充分发展段的流动特性。首先通过三(2)螺旋椭圆扁管周期性进口温度Tin=300维绘图软件Solidwork