螺旋管紧凑式换热器传热性能分析

图3
直管截面的温度分布
Fig. 3 T emperatur e pr ofile alo ng hor izo nt al cent er lines in stra ight tubes
118
热
科
学
与
技
术
第7卷
图4
F ig . 4
弯管截面的温度分布
T emper ature profile along hor izontal center lines in bends
2 2
采用直接数值模拟法( DNS) 研究了
经过环形和螺旋管道的充分发展流, 显示了湍流结 构的瞬时速度场。 发现管道曲率诱发二次流并对流 量和湍度具有很强烈的影响, 而扭转效应弱于曲率 效应。 Dong 等
[ 4]
模拟 了螺 旋管 内的 层流 ( Re =
4
1 000) 和湍流( Re = 2 5 10 ) , 并获得相应的摩擦 系数和 Nusselt 系数。 这些数值与实验研究主要分wk.baidu.com析了螺旋管管道的曲率和扭转特点。 本文主要模拟紧凑型螺旋管换热器的流动换 热特性, 螺旋管换热器由直管和弯管构成, 管内流 过气体工质 R141B, 管外 为空气流。 运用 F luent V6 和层流模型 , 研究了不同温度和流动条件下的
动传热特性。内外螺旋管面对空气来流的传热具 有类似趋势, 并随着来流方向降低。沿着管内流 动方向, 换热系数在外层降低 , 而内层则升高。这 些主要由外部空气流的下游回流较为薄弱 , 而且 内外流的温差也显著下降所造成。实际上 , 空气 来流下游的螺旋管传热性能也相对较好 , 主要由 弯管段的二次流动以及直管段的流动发展所致。
H eat t ransf er rate o f different sing le t ubes
结 果 显 示,
外 层 螺 旋 管 ( rb11 13 and
rb41 43) 的传热由于较大的表面积而显著高于内 层螺旋管 , 同时也由于空气与外层螺旋管有较高 的温度差 , 必然显示出更好 的传热情况。 rb11 与 rb41 处于上游, 具有更好的换热性能。 如图 4 所示 温度分布 , 弯管段 rb11 13 壁面温度大幅下降 , 传 热极好。 由图 2, 外层螺旋管的传热随 R141B 流向 降低 , 而内层螺旋管则随流向升高。 在内外螺旋管 的连接弯管段 bc 处, 传热出现局部极大。 2. 2 管内温度分布
关键词: 换热器; 螺旋管 ; 管排布 ; 强化传热 中图分类号 : T K124 文献标识码 : A
0
引
言
螺旋管对流传热。
螺旋管结构具有高传热性能, 以此发展出的 紧凑式换热器 , 尤其 冷凝器和蒸发器在食品、 医 药、 电力、 化工等行业有广泛的应用。 由于弯曲段 离心势所诱发的二次流, 螺旋管可以强化传热。 文献[ 1 6] 中已有一些关于螺旋管流动传热的 数值模拟和实验研究。 Moawed
第 7 卷第 2 期 2008 年 6 月
热 科 学 与 技 术 Journal of Thermal Science and Technology
V ol. 7 N o. 2 Jun. 2008
文章编号 : 1671 8097( 2008) 02 0115 05
螺旋管紧凑式换热器传热性能分析
孔 戴, 彭 晓 峰, 杨 震
采用商用软件 F luent V6 模拟螺旋管内外的 强迫流动传热。 管内流动工质为 R141B, 管内流速 v = 0 1 m/ s , 相应的 Re 为 4 97 10- 5 , 进口温度 T = 350 K 。 管外空气流的流速为 u= 2 m/ s , 对应 计算域尺度的 Re 为 125 ( 取管径 1 mm 为特征长 度) , 进口温度 T = 300 K 。 这里考虑的问题是管 内制冷剂三维稳定层流, 管外空气则为三维稳定 湍流流动。 从管内到管外的对流流动传热使用 C 语言编 程的 UDF ( 用户定义函数 ) 模块解耦, 控制体积法 求解控制方程 , 采用 SIM PL E 算法来解决耦合流 速和压力 , 而用第二阶迎风格式用来求解动量与 能量方程。对所分析计算的三种情况, 分别用大 约 1 000 000 和 400 000 四边形网格可获得空气侧 和管内理想的收敛解。
ij
系数 , kg/ ( m
为密度 , kg/ m 3 ;
为 Delt a k) ;
F ig . 1 G eometr ic co nfigur ation
函数 ; p 为压力, Pa ; ( 2)
为导热系数, W/ ( m K) 。
为曲率; cp 为比定压热容 , kJ/ ( kg x 动量方程 : x uu u + x uw v + x v + x vw v + y w + x y uv p + x u + y x u x + ( 3) v + y x u y + ( 4) w + y x u + z ( 5) ( u) + y ( v) + z ( w) = 0
laminar flow s in coiled pipes[ J] . A p p l T her m Eng , 2008, 28 ( 5 6) : 423 432. [ 6] CON T I, PEN G X F, W A NG B X. N umerical in
[ 1]
1
模拟方法
螺旋铜管换热 器结构见图 1, 其中 rb1、 rb2、
rb3 与 rb4 分别为弯管段 , 而 rs1、 rs2 、 rs3 与 rs4 分 别为直管段。 管内径 d = 1 mm , 管间距 y = 2 d , 换热器为 7 mm 10 m m 11 mm , 正中置于大空 200 mm 200 m m) 空 间 ( 即计算域为 200 mm
z y x uv -
u z =z y w x
vv p + y
z y x uw -
v z =z y w y
vw p + z
z y
ww v + z
w =z z w z
2
结果与分析
图 2 ~ 4 分别表示各直管与弯管段的温度分
能量方程 : x uh h + x y vh h + y ( 6)
布和传热性能。 2. 1 换热性能 螺旋管换热 器不同单管的传 热率如 图 2 所 示, 其 中 外 层 螺 旋 管 为 rs11 rs13、 rb11 rb13、 rs41 r s43 与 rb41 rb43, 而内 层螺旋管为 rs21 r s24、 rb21 r b24 、 rs31 rs34 与 rs41 r s44, 此外 bc 、 sc1 sc2 为连接内外层螺旋管 的弯管, se1 se2 为进出口段的直管。 图 2 中, 外层螺旋管的流动顺 ( 7) 序为 se1 r s1 rb1 r s4 rb4, 而内层螺旋管的顺序为 rs2 rb3 rs3 rb2。
116
热
科
学
与
技
术 ui uj + xj xi 2 3 uk - u j ui xk
第7卷
xj
ij
ij
p = 0 ( 8)
能量方程 : xj 式中 : 图1 螺旋管结构
v
T xj ui xj ui + xj s) ;
uj cp T + uj - 2 xi 3
v
= 0
ij
( 9)
=
uk xk
; 为黏性
收稿日期 : 2007 11 20; 修回日期 : 2008 04 30. 基金项目 : 国家高技术发展计划 ( 863 计划 ) 资助项目 ( 2007A A 05Z200) . 作者简介 : 孔 戴 ( 1972 ) , 男 , 几内亚人 , 博士生 , 主要从事保温材料与性能、 高效换热器技术等研究 .
z 式中 , = Pr
wh 。
h = 0 z
同样 , 管内流动的控制方程分别为 连续性方程: xi 动量方程
[ 4 7]
ui = 0
:
第2期
孔
戴等: 螺旋管紧凑式换热器传热性能分析
117
图 3、 4 为不同单管内横截面过管中心水平线 上的温度分布。 rs11 为换热器入口的 截面, 其他 rs 表示的曲线表示位于各个直管段的两端, 比 如 rs12 和 rs13 则代表第一排直管端进出口的截 面( 或 rs14 和 rs15, rs16 和 rs17, rs18 与 rs19 等则 代表其他排的情况 ) 。 图 4 中的 rb 表示位于弯管 中间截面水平线的参数变化。 无量纲数 X = a/ b 用来表示水平线上的位置, a 和 b 分别为管半径和 直径 , - a/ b 和 + a/ b 则表示内外侧管壁。 由图 3 图2
3
结 语
本文模拟分析了紧凑式小螺旋管换热器的流
345 353, 2000. [ 3] H U T T L T J, F RIEDRICH R. Direct numer ical sim ulatio n of turbulent flow s in curv ed and helically coiled pipes [ J] . Comp u & Fluids , 2001, 30 ( 5 ) : 591 605. [ 4] DO N G Z F , EBA DIA N M A . Com puter simulation of laminar and tur bulent flow in helico idal pipes as in compact heat exchang ers [ M ] . Southampton, U . K: Compu. M ech. Pub. , 1998: 77 113. [ 5] CO N T I, PEN G X F. N umer ical investig ation o f
100084 ) ( 清华大学 热能工程系 相变与界面传递现象实验室 , 北京
螺旋管换热器由 35 个单管 ( 直管 和弯管 ) 摘要 : 数值模拟研究了紧凑式小 管螺旋管换热器的流动换热特性。 构成 , 管外为空气冷却 , 管内流过 不同温度的液体工 质 R141B。 模拟结果表明 , 各单根 螺旋管内外对流传 热系 数、 温度分布和传热性 能 , 主要 受内外流体温度梯 度 、 回流 条件 、 外 部空气流速和单根 管的传热表面积等 因素 的影响 。
Fig . 2
不同单管的换热
知, r s11 rs13 的温度分布与通常单管进口段情况 相似[ 5 6] , 内层螺旋直管段 rs2 与 rs3 的温度梯度 较低 , 而 rs29 ~ rs210 和 rs37 ~ rs38 的温度梯度 较高 , 是由 于 这些 直管 邻 近出 口, 接近 温 度为 300K 的低温空气。 同样, 邻近出口的弯管段 rb24 与 rb34 也有类似趋势。 因为内外流体间存在较高 的温度差 , 直管段 rs11 ~ rs13 与 rs41 ~ rs42 具有 良好的传热性能。 但对于下游的直管和弯管, 由于 内外 流体 的 温度 差 降低, 传 热 减弱。 管内工质 R141B 与管外空气存在一个高的温度梯度, 既使 R141B 进入如图 4 中的下游内线圈管, 内侧壁面的 传热仍然很高。
实验研究了纵向
和横向螺旋管的自然对流传热性能, 发现平均传热 系数随管间距与管径的比、 螺旋半径与管径的比以 及管 长 与 管 径 的 比 的 增 加 而 增 加。 Hut tl 等 和 Friedrich 等
[ 2 3]
气中进行内外流体的对流传热。 和整个域相比, 换 热器尺度很小 , 对空气流动的模拟不会受到流场 边界的影响。 直管段与弯管段的总表面积分别为 A s = 2 A e + 16 A s + 2A c = 2( 14 13) + 16 ( 11 42) + 2 ( 6 34) = 223 64 mm A b = 6A bo + 8A bi + A bc = 6( 29 62) + 8( 9 96) + 9 96 = 267 37 m m 2 ( 1) 式中 : 下标 b 、 bc、 bi、 bo 、 e 与 s 分别表示弯管、 连接 内外螺旋管的弯管、 内层弯管、 外层弯管、 进出口 段的直管和内外层直管。 图 1 所示螺旋管换热器 的总传热面积为 A t = A s + A b = 491 mm 。 在笛卡尔坐标系下 , 外层空气流动和传热控 制方程分别为 连续性方程: