螺旋套管换热器传热特性研究.pdfVIP

能源研究与信息 第 27 卷 第 1 期 Energy Research and Information Vol. 27 No. 1 2011 文章编号: 1008-8857 (2011)01-0055-06 螺旋套管换热器传热特性研究 朱 倩, 徐之平, 刘友朋, 郭鹏飞 (上海理工大学 能源与动力工程学院, 上海 200093) 摘 要: 根据螺旋套管换热器的结构特点及传热特性，建立了水—水蒸气的流动与传热的三 维几何模型。利用 Fluent 对不同工况下的螺旋套管进行了数值模拟，得出了湍流状态下螺旋 套管内流体的温度场、速度场和压力场；利用搭建的螺旋套管换热器试验台，得出多种工况 下的传热系数，为螺旋套管换热器的设计计算提供了依据。同时将试验结果和数值模拟结果 进行对比分析，验证了数值模拟的正确性。 关键词: 螺旋套管换热器; 传热; 数值模拟; 试验研究 中图分类号: TK172 文献标识码: A 近年来，随着工业的发展，节能和环保问题已经越来越受到关注。而螺旋套管由于其独 特的结构特性、高效的传热效率和二次流等特点[1]，在化工、动力等行业得到了广泛的应用。 国内外关于螺旋套管的研究很多，一些学者对螺旋套管的研究从理论到实际都有了很大的突 破，但研究主要集中在气—水、水—制冷剂等方面，通过试验研究和数值模拟得出相应工况下 的摩擦阻力和传热系数关联式[2] 。但是关于螺旋套管水蒸气—水换热的试验研究则很少涉及， 而水蒸气由于潜热很大，是一种很好的传热介质，因此本文通过对不同工况下的螺旋套管进行 水蒸气—水试验和数值模拟，并且对两者结果进行比较，验证了数值模拟的正确性。 1 螺旋套管换热器数值模拟 螺旋套管是用滚轧扭曲加工的方法将光滑直管加工成各种螺旋形异形管。由于试验研究 不能详尽描述和观察到螺旋套管内真实的流体流动状态，近年来，国内外学者将数值模拟方法 广泛用于螺旋套管换热器的研究分析。 1.1 物理问题及数学模型 1.1.1 物理问题 本文研究的螺旋套管换热器的几何尺寸如表 1 所示。内部为滚轧扭曲后螺旋铜管，外部 为光滑铜管。螺旋铜管上部为进口，下部为出口。光滑铜管为侧面下进上出，管外壁用保温材 料进行隔热。 收稿日期：2010-12-20 作者简介：朱 倩(1985-)，女(汉)，硕士研究生，zhuqian-111@163.com 56 能源研究与信息 2011 年 第 27 卷 表 1 换热器芯体尺寸 Table 1 Core size of the heat exchanger mm 管长 螺距 槽深 槽宽 管子内径 管子外径 320 40 3.8 4.0 22 28 1.1.2 数学模型 螺旋管管内流体为水蒸气，管外流体为水，其属于典型的对流—导热—对流耦合传热问 题。由于螺旋套管材料为铜，其导热系数很大且管壁很薄，因此可以忽略管壁热阻，从而模型 可简化为对流—对流耦合传热问题。 为了分析问题方便，对螺旋管外的流动与换热进行如下假设：① 管外流动为稳定流动； ② 管外流动介质水为不可压缩流体；③ 忽略体积力和粘性耗散。因而，该三维、稳态、不可 压流体换热问题的控制方程为[3] 质量守恒方程 ∂u ∂v ∂w + + 0 (1) ∂x ∂y ∂z 动量守恒方程 ∂ (uu ) ∂