螺旋套管換熱器傳熱特性研究

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1、能源研究與信息第27卷第1期EnergyResearchandInformationVol.27No.12011文章編號:1008-8857(2011)01-0055-06螺旋套管換熱器傳熱特性研究朱倩,徐之平,劉友朋,郭鵬飛(上海理工大學(xué)能源與動力工程學(xué)院,上海200093)摘要:根據(jù)螺旋套管換熱器的結(jié)構(gòu)特點及傳熱特性，建立了水—水蒸氣的流動與傳熱的三維幾何模型。利用Fluent對不同工況下的螺旋套管進行了數(shù)值模擬，得出了湍流狀態(tài)下螺旋套管內(nèi)流體的溫度場、速度場和壓力場；利用搭建的螺旋套管換熱器試驗臺，得出多種工況下的傳熱系數(shù)，為螺旋套管換熱器的設(shè)計計算提供了依據(jù)。同

2、時將試驗結(jié)果和數(shù)值模擬結(jié)果進行對比分析，驗證了數(shù)值模擬的正確性。關(guān)鍵詞:螺旋套管換熱器;傳熱;數(shù)值模擬;試驗研究中圖分類號:TK172文獻標識碼:A近年來，隨著工業(yè)的發(fā)展，節(jié)能和環(huán)保問題已經(jīng)越來越受到關(guān)注。而螺旋套管由于其獨[1]特的結(jié)構(gòu)特性、高效的傳熱效率和二次流等特點，在化工、動力等行業(yè)得到了廣泛的應(yīng)用。國內(nèi)外關(guān)于螺旋套管的研究很多，一些學(xué)者對螺旋套管的研究從理論到實際都有了很大的突破，但研究主要集中在氣—水、水—制冷劑等方面，通過試驗研究和數(shù)值模擬得出相應(yīng)工況下[2]的摩擦阻力和傳熱系數(shù)關(guān)聯(lián)式。但是關(guān)于螺旋套管水蒸氣—水換熱的試驗研究則很少涉及，而水蒸氣由于潛熱很

3、大，是一種很好的傳熱介質(zhì)，因此本文通過對不同工況下的螺旋套管進行水蒸氣—水試驗和數(shù)值模擬，并且對兩者結(jié)果進行比較，驗證了數(shù)值模擬的正確性。1螺旋套管換熱器數(shù)值模擬螺旋套管是用滾軋扭曲加工的方法將光滑直管加工成各種螺旋形異形管。由于試驗研究不能詳盡描述和觀察到螺旋套管內(nèi)真實的流體流動狀態(tài)，近年來，國內(nèi)外學(xué)者將數(shù)值模擬方法廣泛用于螺旋套管換熱器的研究分析。1.1物理問題及數(shù)學(xué)模型1.1.1物理問題本文研究的螺旋套管換熱器的幾何尺寸如表1所示。內(nèi)部為滾軋扭曲后螺旋銅管，外部為光滑銅管。螺旋銅管上部為進口，下部為出口。光滑銅管為側(cè)面下進上出，管外壁用保溫材料進行隔熱。收稿日期：

4、2010-12-20作者簡介：朱倩(1985-)，女(漢)，碩士研究生，zhuqian-111@163.com56能源研究與信息2011年第27卷表1換熱器芯體尺寸Table1Coresizeoftheheatexchangermm管長螺距槽深槽寬管子內(nèi)徑管子外徑320403.84.022281.1.2數(shù)學(xué)模型螺旋管管內(nèi)流體為水蒸氣，管外流體為水，其屬于典型的對流—導(dǎo)熱—對流耦合傳熱問題。由于螺旋套管材料為銅，其導(dǎo)熱系數(shù)很大且管壁很薄，因此可以忽略管壁熱阻，從而模型可簡化為對流—對流耦合傳熱問題。為了分析問題方便，對螺旋管外的流動與換熱進行如下假設(shè)：①管外流動為穩(wěn)定流動

5、；②管外流動介質(zhì)水為不可壓縮流體；③忽略體積力和粘性耗散。因而，該三維、穩(wěn)態(tài)、不可[3]壓流體換熱問題的控制方程為質(zhì)量守恒方程???uvw++=0(1)???xyz動量守恒方程222???(uu)(vu)(wu)1????pu??uu++=?+++ν??(2)222???xyzρ????xx??yz222???(uv)(vv)(wv)1????pv??vv++=?+++ν??(3)222???xyzρ????yx??yz222???(uw)(vw)(ww)1????p??www++=?+++ν??(4)222???xyzρ????zx??yz能量守恒方程222???(u

6、T)(vT)(wT)?????TTT++=++a??(5)222????xyzx????yz2-1-1式中，ν為流體的運動粘度，m?s；u、v、w分別為x、y、z方向的速度，m?s；x、y、z為笛-32-1卡爾坐標，m；ρ為密度，kg?m；p為壓力，Pa；T為熱力學(xué)溫度，K；a為熱擴散率，m?s。1.2變流量的數(shù)值模擬(1)計算方法與邊界條件根據(jù)以上物理問題的數(shù)學(xué)模型，應(yīng)用SOLIDWORKS進行幾何建模、網(wǎng)格劃分及邊界類[4]型設(shè)定，應(yīng)用FLUENT軟件進行計算求解。采用有限體積法對計算區(qū)域作離散化處理。動量和能量方程離散采用二階迎風(fēng)格式，離散方程求解采用分離隱式算法

7、，壓力和速度耦合采用SIMPLE算法。計算流體采用速度和溫度入口邊界條件；出口采用壓力出口邊界條件。內(nèi)管壁為對流—對流耦合，外管壁為絕熱。(2)數(shù)值模擬結(jié)果分析通過對螺旋管內(nèi)的流動與換熱的數(shù)值模擬，可得到其管內(nèi)溫度場、速度矢量場和壓力場。-1本文僅列出入口流速為0.2m?s時中心截面處的溫度場、速度矢量場和壓力場，如圖1~圖3所示。其它工況的規(guī)律與此相同。第1期朱倩,等:螺旋套管換熱器傳熱特性研究573.24e+022.95e+023.22e+022.56e+023.20e+022.18e+023.18e+021.79e+023.17e+