优秀论文丨新型强化换热管壳程流动与换热特性

 

　　作者：胡伟强、梁焯晖、梁展程

 

　　（广东万和热能科技有限公司）

 

　　摘要：针对燃气壁挂炉中二级换热器可利用的新型强化换热管，本文采用三维数值模拟方法，从速度—压力场协同性、综合评价因子ε、速度—温度场协同角三个方面对扭曲管、波节管、波纹管开展研究。结果表明扭曲管对于管外流动的强化效果优于波节管和波纹管，三场协同性最好。Re<4500时扭曲管换热系数最高，4500<Re<8000波节管换热系数最高；波节管的波峰对于强化换热和减阻作用显著，主要体现在波峰与周围管束形成缩放通道，能够优化速度—压力场协同性同时减薄边界层；波纹管的纵向冲刷压降、强化换热表现均弱于波节管和扭曲管。计算结果为管壳式换热器设计提供一定的理论和依据。

 

　　关键词：扭曲管、场协同、强化换热、数值模拟

 

　　前言

 

　　燃气壁挂炉的二级换热器作为主换热器的余热回收装置，对于提升整体能效比有着重要意义，并且分体式二级换热器便于维护。换热管作为换热器的核心元件，优化换热管提高传热效率和降低能量消耗对于工程应用具有重要意义[1]。

 

　　自20世纪60年代开始，强化换热技术进展迅速，主要以各种强化换热管的应用有关。波纹低肋管是一种典型的强化管，它的截面不同于波纹管的大波浪形，而是一种密集的小波纹，主要通过波纹褶皱增大换热面积和流体的湍流程度来强化换热[2, 3]，其典型特点是凹凸波形具有双侧强化效果。波节管[4, 5]由周期性的波浪形凸起和直管组合而成，管内流体经过波峰时会产生垂直于流动方向的二次流，从而强化换热。扭曲管[6, 7]是一种高效强化换热管，最早是前苏联学者于20世纪80年代提出的，扭曲管主要由圆管加工而来，通过压扁和扭曲工艺形成DNA型螺旋结构，其横截面为扁圆或者椭圆型。作为一种双侧强化管，它能够使流体沿螺旋壁面纵向流动的同时，形成复杂的以旋转和周期性边界层分离为主要特点的强扰动换热模式，朱冬生[8]和杨留[9] 等分别就扭曲管的管内流动传热和压降特性展开研究，发现扭距减小和扁度增大能强化扭曲管的换热。董新宇[10]对将新型钛合金扭曲管应用于高黏度流体对流换热中，发现扭曲管在层流和过渡流的换热效果优于螺旋槽管和光管。

 

　　目前对于强化换热管的研究多集中在管内流动，关于以上三种换热管对管外流体的强化换热特点少有研究，本文将对波纹管、波节管、扭曲管在不同雷诺数下的表面换热系数进行分析比较，着重从速度—压力场协同性、换热器综合评价因子、速度—温度场协同角方面对三种管型开展研究，比较换热管对于管外流场的影响和换热强化效果，为工程应用提供一定的设计依据。

 

　　1、计算模型及其验证

 

　　1.1计算模型及几何参数

 

　　流体在管外流动与换热的控制方程的张量形式为：

　　在强化换热方面Guo等[11]认为对流换热的强度不仅仅取决于温差和速度大小，还跟速度矢量U与温度梯度方向T的夹角θ有关，该夹角被称为协同角。协同角用于表征速度场和温度场的协同程度，二者的夹角越接近90度表明换热效果越差，即协同角越小越有利于换热。文中的协同角θm采用平均值的计算方法，具体公式如下：

　　本文计算模型有三种，分别是波节管、扭曲管、波纹管，具体模型如图1所示。

　　其中换热管当量直径约为12mm，壁厚0.7mm，管壁材质不锈钢，模型尺寸如表1所示。

　　选用扭曲管进行网格独立性验证，结果如表2所示，流体为烟气采用395.15K天然气燃烧烟气的各项成分进行拟合，换热管为恒壁温333K，烟气流速2m/s，考虑到气体在该温度变化区间内物性参数变化很小，因此采用常物性条件进行计算。

 

　　表2 网格独立性验证

　　从表2可看出网格数为38.9与55.7万时出口烟温相差不到1%，考虑到计算的经济性，选择扭曲管的计算网格数约39万，同样的比较之后划分的波节管与波纹管网格分别为47万和77万。

 

　　由于网格过大，选取中心剖面的网格展示如图2。波纹管、波节管、扭曲管均为结构化网格，近壁面网格已进行适当加密。研究关注点为换热管的外流场，因此网格划分的区域为管外流域，周围四面为周期性边界，模拟管束中的流场。考虑到管外Re数变化范围从几百到几千，并且流动中有局部旋流的情况，选取能适应多种Re数的Realizable k-ε模型作为湍流模型，能量方程收敛条件设定为小于10-6，其他参数收敛条件设定为小于10-4。

　　1.2实验验证

 

　　为了验证数值计算的可靠性，按照本文的入口边界条件和相同参数的波纹管设计了波纹管换热器如图3所示，置于燃气壁挂炉中进行测试。实验测量换热器的进出口烟温、换热功率并且与数值计算结果进行对比，结果如表3所示。

　　改变入口烟温进行重复测量，不同入口烟温分别进行5次测量取平均值。然后根据测量结果设置入口边界条件。测量时烟气过剩空气系数1.92，露点温度低于60℃，在这个条件下实验可认为无冷凝水析出，模拟验证也仅考虑气相与固体壁面的对流传热。从表3中可看出对于波纹管换热器的实验测量值和数值计算结果最大相对偏差σ为2.35%。计算结果与实验测量结果偏差存在一定的偶然性，但可以看出Fluent中Realizable k-e 模型在实际工程应用中具有相当的准确性。

 

　　2、结果分析

 

　　2.1传热与压降分析

 

　　结合三个模型的数值模拟结果，得出沿程总压降△P随Re数的变化规律，如图3所示：

　　图4中Re变化范围为569~7662，可看出三种管型总压降均随着Re增大而呈现指数式增长，其中波纹管的增长幅度最大，扭曲管增长幅度最小、波节管增长幅度居中。波纹管管外Re数达到7399时总压降达到317.3Pa，扭曲管Re数为7622时总压降为62.5Pa，波节管Re数为7550时总压降为110Pa，波纹管总压降远高于波节管及扭曲管。

　　为进一步揭示三种换热管在相同Re数下的为什么波纹管总压降远高于波节管和扭曲管，图5分别展示了波节管、波纹管和扭曲管Re数约为7000的速度场，图中显示的位置为换热管的中心纵截面，由于几何结构的周期性重复，下游流场和温度场与前端基本上相似，为了充分展示细节仅给出入口附近的1到2个周期的物理场云图。

 

　　图5-(a)波节管表面波峰外缘出现最大流速和最低静压，比较其速度梯度方向和压力梯度方向可以发现两者在波峰前缘和波峰正上方的吻合性较好，在波峰背面的吻合性较差，而图5-(b)中波纹管的速度梯度方向和压力梯度方向几乎各不相同，根据三场协同理论分析，速度—压力场协同性越差，强化换热代价越大[11]，波纹管纵向流动时压降大的主要原因是波纹管凹凸表面会产生密集滞留区，该区域产生的密集漩涡，导致剪切摩擦力急剧增长，这与图4显示的波纹管总压降远超扭曲管和波节管相吻合。图5-(c)中扭曲管的速度梯度方向和压力梯度方向吻合性较好，并且此处截面速度梯度并不能显示扭曲管中真正的速度方向，真正的速度方向是倾斜穿过截面，在三维图中扭曲管中速度场和压力场的协同性是三种换热管中最好的。

 

　　图6为表面膜传热系数随Re的变化规律，图中三条曲线的变化趋势一致，Re数的增大会使传热性能强化。波纹管在相同雷诺数下的换热系数最低，Re<4500时扭曲管换热系数最大，Re>4500时波节管换热系数最大，比扭曲管高5.9%。波节管表面具有周期性波峰，这种结构可以产生较强局部扰动和阻止边界层的增厚，并且在管束间形成缩放通道，强化换热的同时调整速度场与压力场的协同性，如图5-(a)所示在波峰处速度—压力场协同性最好。扭曲管的强化换热特性主要体现在周期性地在三维空间改变流动方向导致边界层分离，对于低Re数流动强化效果更明显，并且三场协同性好，可以实现低阻强化换热。

　　图7为综合评价因子ε（ε=K/?P）随Re的变化规律， K/?P可用于表征换热强化效果与消耗泵送功的能耗比。结果显示在500<Re<8000的范围三种管综合评价因子η随着Re增大而降低，呈指数下降然后趋于平缓。其中波纹管的综合评价因子ε最小，在低Re数时远低于波节管与扭曲管，扭曲管的综合评价因子ε最大，意味着使用扭曲管可以在更小的代价下获得更大的传热系数提升，对压降敏感的换热器中采用扭曲管会是更好的选择。

　　2.2场协同分析

 

　　根据公式2.4从模拟结果中计算出流体域的速度—温度场平均场协同角（以下简称协同角），结果如 图8所示。波节管的平均场协同角在Re<1500的时候呈现上升趋势，Re>1500逐渐变得平缓。波纹管协同角随Re数增大而下降，如图5-(b) 所示速度梯度方向指向流动方向，因此随流速增大，波峰和波谷处的二次流对主流速度方向的影响逐渐减小，场协同角增大；

　　扭曲管的协同角小于波节管与波纹管，随着Re数的增长而逐渐上升，因为扭曲管的流体空间是周期性旋转的，流体沿着管外壁流动时会遇到螺旋形的管壁而产生偏离主流方向的二次流，扭曲管产生的二次流强度要大于波纹管和波节管，随着Re数增大二次流强度逐渐增强，协同角轻微减小；波节管的协同角变化趋势与扭曲管类似，但是下降得更明显，表明随着Re的增大波节管的热边界层与速度边界层的扭曲程度越高，即协同角由原来的接近90?进一步下降。

 

　　3、结论

 

　　结合上述传热与压降、速度—压力场协同性、速度—温度场协同角分析得出以下结论。

 

　　（1） 扭曲管在三种强化管中综合评价因子ε远大于波纹管，波节管居中；

 

　　（2） Re<4500时扭曲管换热系数最大同时压降最低，换热器壳程Re在这个范围内最优换热管为扭曲管，4500<Re<8000时波节管换热系数超越扭曲管，换热系数最大增加5.9%，压降增大75.8%，波纹管的纵向冲刷的压降增大程度远超换热强化效果；

 

　　（3） 换热器的壳程压降与速度—压力场协同性有关。扭曲管最好，波节管次之，波纹管最差。

 

　　（4） 波纹管的速度—温度场协同角随Re增大而增大，因为二次流对主流速度影响并不随流速增大而增大。

 

　　符号说明：

 

　　Η  运动粘度，

 

　　G  重力加速度，

 

　　Η  运动粘度

 

　　F  单位质量力

 

　　u、v分别是速度在x、y方向的分量

 

　　Q 能量源项

 

　　参考文献

 

　　[1]Cao Weixue, You Xueyi. Effects of Wall Fins Patterns on the Flue Gas Performance of Condensing Heat Exchanger[J]. Procedia Engineering, 2017,205:2281-2288.

 

　　[2]俞接成, 杜晓萌. 波纹管层流传热与流动的三维数值模拟[J]. 北京石油化工学院学报, 2011(04):11-16.

 

　　[3]俞接成, 杜晓萌. 波纹管层流传热与流动的三维数值模拟[J]. 北京石油化工学院学报, 2011(04):11-16.

 

　　[4]付金辉. 螺旋波节管管内外流体流动与传热的数值模拟[D]. 哈尔滨工业大学, 2018: 94.

 

　　[5]王定标, 邓靜, 张灿灿, 等. 螺旋缠绕波节管传热与流动性能分析[J]. 化工进展, 2016(07):1994-2000.

 

　　[6]杨胜, 张颂, 张莉, 等. 螺旋扁管强化传热技术研究进展[J]. 冶金能源, 2010(03):17-22.

 

　　[7]大功率Ｌ Ｅ Ｄ螺旋扁管水冷散热技术[J].

 

　　[8]朱冬生, 谭祥辉, 曾力丁. 扭曲椭圆管管内传热与压降性能的研究[J]. 化学工程, 2013(01):9-14.

 

　　[9]杨留, 朱冬生, 李霞, 等. 扭曲管换热器壳程传热与压降性能的数值模拟[J]. 化学工程, 2014(04):31-36.

 

　　[10]董新宇. 钛合金螺旋扁管换热性能[J]. 西安交通大学学报, 2018,52(1).

 

　　[11]刘伟, 刘志春, 过增元. 对流换热层流流场的物理量协同与传热强化分析[J]. 科学通报, 2009(12):1779-1785.