内置旋转柔性螺旋片换热管强化传热数值模拟.pdf

中国新技术新产品2024 NO.2（下）-68-工 业 技 术根据暖通空调行业统计，由建筑物制冷、供暖、生活热水等消耗的能源总量占建筑能耗的绝大部分，高达 85%左右1。污水源热泵技术是利用污水中的能量满足人们日常需要的节能技术。传统光管无论是换热性能还是清除换热管中沉积污垢的能力都难以让人满意。由于旋转螺旋片的转动特性对在线除垢、防垢和强化传热效率有直接影响，因此研究换热管内流场的流动特性（如速度、压力分布等）对提高换热管的传热特性具有重要意义。采用数值模拟方法研究换热器的速度场、温度场以及压力场2，可以克服使用试验方法无法观察结构对流和传热微观状况的不足，因此对转子进行数值模拟，可形象地展示转子结构参数和转动特性对强化传热的影响。1 数学模型及其求解1.1 模型的建立内置可旋转柔性螺旋片换热管模型的管径 D=24mm、管长 L=100mm。螺旋片内径与宽度、外径有关，外径 d1=22mm。为比较不同螺距的换热管，螺距 s 从大到小分别为 50mm、40mm、30mm、20mm、10mm。宽度=d1-d2。为比较不同宽度的换热管，宽度的取值从大到小分别为 17mm、14.5mm、12mm、9.5mm、7mm、4mm、2mm。为比较不同转速的换热管，转速的取值从大到小分别为 40rad/s、30rad/s、20rad/s、10rad/s、0rad/s。物理模型如图 1 所示。以上模型中，螺旋片与履带、轴承连接，电机转动带动管内的柔性螺旋片旋转。与本课题类似的内置可旋转柔性单螺旋换热器已经申请了实用新型专利保护3。数学模型建立完成后就要进行网格划分，通过网格划分，原来的数学模型就可看作一个个小的单元。考虑网格数量与质量对计算的影响，本课题将网格间距设置为 1mm。最终划分的网格如图 2 所示。1.2 边界条件的设置网格划分是数值模拟的第一步，第二步为设置边界条件，边界条件的设置对导入 Fluent 后的计算十分重要。由于管内的流体为污水，因此将 VELOCITY_INLET（速度入口）设置为入口条件，温度和流速等入口流体参数需要后续在 Fluent 中进行设置。将 OUTFLOW（自由出流）设置为出口条件。将换热管外壁与螺旋表面边界条件设置为WALL，不考虑换热管外壁温度变化。由于模拟中将使用动网格，同时管内流体为污水，因此将管内流体设置为 FLUID。1.3 Fluent 计算设置将 GABIT 输出的 mesh 文件输入 FLUENT，设置导入单位为 mm。求解器选用压力求解器 Pressure Based（压力求解器）、Implicit（隐式算法）、3D（三维模型）和 Unsteady（非定常流动），其他条件默认。选用 k-方程来计算紊流模型，在 Define Boundary Conditions 中定义边界条件，设定管内流体为水，入口定义为速度入口，进口流速 0.3m/s，温度为 296K，出口为自由出流。换热管外壁设置成恒壁温条件，温度为 307K，管壁材料设置为铜，螺旋材料设置为不锈钢。导入 UDF，对动网格区域进行设置。2 计算结果及对比分析2.1 速度场分布流速为 0.3m/s 时内置旋转柔性螺旋片换热管与光管的流线图分别如图 3、图 4 所示。图 3 的流线相对独立，流线间相互没有影响，流体的状内置旋转柔性螺旋片换热管强化传热数值模拟任亚棚1，2姜方3胡月月4（1.中国水利水电第三工程局有限公司，陕西 西安 710024；2.陕西江河水利水电土木勘测设计研究有限公司，陕西 西安 710086；3.潍坊市市政工程设计研究院有限公司，山东 潍坊 261061；4.陕西同济土木建筑设计有限公司，陕西 西安 710002）摘 要：本文以提出的污水源热泵系统内置柔性可旋转螺旋片换热管为研究对象，利用 Fluent 软件分析不同宽度、不同螺距、不同转速下换热管的强化换热和除垢、抑垢情况。研究结果表明，传统光管的换热效果比内置柔性旋转螺旋片换热管差。当转速为10rad/s、宽度为12mm、螺距为10mm 时，旋转螺旋片管为最优换热管。关键词：旋转螺旋片；数值模拟；螺距中图分类号：TK124文献标志码：A图 1 物理模型图 2 网格划分Dsd2d1中国新技术新产品2024 NO.2（下）-69-工 业 技 术态为层流，此状态的流体换热效率较低。图 4 中的流线与图3 的流线截然不同，整体呈紊流的流态。螺旋片的旋转会给附近流体施加一股切向的动力，靠近管壁的流体受螺旋片影响大，因此靠近管壁的流体紊流状态更明显，靠近管中心的流体受螺旋片影响小，因此靠近管中心的流体流态接近层流。由于增加了切向的动力，增强了管内流体的扰动，因此管内的对流换热热阻降低，最终管内的换热效率得到了提高。2.2 螺距对旋转螺旋片换热管换热效率的影响为比较不同螺距下的转柔性螺旋片与传统光管的换热效果，分别模拟当螺旋片宽度为 17mm、转速为 10rad/s 时，螺旋片的螺距从小到大分别为 10mm、20mm、30mm、40mm、50mm 的换热管。换热管出口温度统计表见表 1。表 1 出口截面温度平均值统计表 1 螺距10mm20mm30mm40mm50mm传统管螺旋片297.309K297.003K296.896K296.831K296.789K296.300K本文将不同螺距螺旋片换热管与传统光管出口截面平均温度的数据进行了整理，最终得出的折线图如图 5 所示。从图 5 可以看出，5 种螺距的螺旋片管出口截面温度均远高于传统光管，说明 5 种螺距的螺旋片管换热效率比传统光管高。螺旋片管出口截面平均温度随螺距缩短不断增加，当螺距为 10mm 时达到最大。2.3 转速对旋转螺旋片换热管换热效率的影响为比较不同转速下旋转螺旋片换热管与传统光管的换热效果，分别模拟转速为 0rad/s、10rad/s、20rad/s、30rad/s、40rad/s 的换热管。此换热管螺距为 20mm，换热管出口温度统计表见表 2。表 2 出口截面温度平均值统计表 2转速传统管0rad/s10rad/s20rad/s30rad/s40rad/s螺旋片296.300K296.59K297.003K297.043K297.123K297.226K本文将不同转速螺旋片换热管与传统光管出口截面平均温度的数据进行了整理，最终得出的折线图如图 6 所示。从图 6 可以看出，5 种转速的螺旋片管出口截面温度均远高于传统光管，说明 5 种转速的螺旋片管换热效率比传统光管高。螺旋片管出口截面平均温度随转速提高不断增加，当转速为 40rad/s 时达到最大；但当转速 10rad/s 时，随着转速的提高，出口截面平均温度增加较少。2.4 宽度对旋转螺旋片换热管强化换热的影响为比不同宽度下旋转柔性螺旋片与传统光管的换热效果，在螺距 10mm、转速 10rad/s 保持不变的前提下，分别模拟宽度为 17mm、14.5mm、12mm、9.5mm、7mm、4mm、2mm 的换热管，换热管出口温度统计表见表 3。表 3 出口截面温度平均值统计表 3 宽度传统管2mm4mm7mm9.5mm12mm14.5mm17mm螺旋片 296.30K 296.73K 296.82K 297.08K 297.20K 297.29K 297.31K 297.31K本文将不同宽度螺旋片换热管与传统光管出口截面平图 3 光管流线图 图 4 螺旋片换热管流线图图 5 出口截面平均温度折线图一297.4 297.2 297 296.8 296.6 296.4 296.2 296 295.8 295.6出口截面平均温度/K螺距/mm1020304050中国新技术新产品2024 NO.2（下）-70-工 业 技 术均温度的数据进行了整理，最终得出的折线图如图 7 所示。从图 7 可以看出，7 种宽度的螺旋片管出口截面温度均远高于传统光管，说明 7 种宽度的螺旋片管换热效率高于传统光管。螺旋片管出口截面平均温度随宽度增加不断增加，换热效率不断提高。当宽度 12mm 时，出口截面温度明显增加；当宽度 12mm 时，出口截面温度增加不明显。随着宽度增加，换热管内的螺旋体积不断增大，螺旋体积增大将提高螺旋本身对流体的扰动作用，从而不断提升换热管内的紊流强度。螺旋片的旋转则会进一步为管内流体提供动力，不断加强管内流体的掺混，从而提升换热管的换热效率。当宽度为 12mm 时，换热管内的紊流状态已十分充分，此时增加宽度，无法有效提升换热管的传热效率。如果继续增加宽度，就会继续增加管内阻力，造成动力上的浪费。因此，在转速与螺距一定的情况下，宽度为 12mm 的换热管应为最优换热管。3 结论针对污水容易在管内结垢的问题，本文建立了内置可旋转柔性螺旋片换热管的物理模型，并利用 Fluent 软件对换热管进行模拟分析，所得结论如下。1）内置旋转螺旋片换热管既可以提升换热管换热效果，又可以抑制管内污垢的附着，一举两得。2）5 种螺距的螺旋片管出口截面温度均远高于传统光管，说明 5 种螺距的螺旋片管换热效率高于传统光管。螺旋片管出口截面平均温度随螺距缩短不断增加，当螺距为 10mm 时达到最大，说明螺距为 10mm时换热效果最好。3）5 种转速的螺旋片管出口截面温度均远高于传统光管，说明 5 种转速的螺旋片管换热效率高于传统光管。螺旋片管出口截面平均温度随转速增加不断增加。当转速为 40rad/s 时达到最大，但当转速 10rad/s 时，随着转速增加，出口截面平均温度增加较少，说明转速为10rad/s 时为最优换热管。4）7 种宽度的螺旋片管出口截面温度均远高于传统光管，说明 7 种宽度的螺旋片管换热效率高于传统光管。螺旋片管出口截面平均温度随宽度增加不断增加，换热效率不断提高。当宽度 12mm 时，出口截面温度明显增加；当宽度 12mm 时，出口截面温度增加不明显，说明宽度为 12mm 时为最优换热管。考虑换热效率与节能的影响，本文认为转速 10rad/s、宽度 12mm、螺距 10mm 的旋转螺旋片管为最优换热管。参考文献1 程桂林.污水源热泵系统设计及性能分析 J.中国房地产业，2011（11）：1.2 唐志伟，闫桂兰，高丽丽.管内插入纽带的强化传热数值模拟 J.工程热物理学报，2008，29（7）：1211-1214.3 谷雅秀，刘伟，任亚棚，等.一种内置旋转柔性螺旋杆的强化换热器：CN204963610UP.2016-01-13.图 6 出口截面平均温度折线图二297.4 297.2 297 296.8 296.6 296.4 296.2 296 295.8 295.6出口截面平均温度/K-1030402010转速/（rad/s）传统管图 7 出口截面平均温度折线图三297.4 297.2 297 296.8 296.6 296.4 296.2 296出口截面平均温度/K宽度/mm传统管24681012141618