螺旋管紧凑式换热器传热性能分析.pdf

第 7 卷第 2 期2008 年 6 月热科学与技术Journal of Thermal Science andTechnologyVol.7 No.2Jun.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(清华大学 热能工程系 相变与界面传递现象实验室,北京?100084)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。螺旋管换热器由 35 个单管(直管和弯管)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。关键词:换热器;螺旋管;管排布;强化传热中图分类号:TK124文献标识码:A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(2007AA05Z200).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.0?引?言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 1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。Huttl 等和Friedrich等 2?3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=1 000)和湍流(Re=2?5?104),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 FluentV6 和层流模型,研究了不同温度和流动条件下的螺旋管对流传热。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 mm?11 mm,正中置于大空间(即计算域为200 mm?200 mm?200 mm)空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?As=2Ae+16As+2Ac=2(14?13)+16(11?42)+2(6?34)=223?64 mm2?Ab=6Abo+8Abi+Abc=6(29?62)+8(9?96)+9?96=267?37 mm2(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 At=As+Ab=491 mm2。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:图 1?螺旋管结构Fig.1?Geometric configuration?x(?u)+?y(?v)+?z(?w)=0(2)动量方程:?x?uu-?u?x+?y?uv-?u?y+?z?uw-?u?z=-?p?x+?x?u?x+?y?v?x+?z?w?x(3)?x?uv-?v?x+?y?vv-?v?y+?z?vw-?v?z=-?p?y+?x?u?y+?y?v?y+?z?w?y(4)?x?uw-?w?x+?y?vw-?w?y+?z?ww-?w?z=-?p?z+?x?u?z+?y?v?z+?z?w?z(5)能量方程:?x?uh-?h?x+?y?vh-?h?y+?z?wh-?h?z=0(6)式中,?=?Pr。同样,管内流动的控制方程分别为连续性方程:?xiui=0(7)动量方程 4?7:?xj?ui?xj+?uj?xi-?ij23?uk?xk-?ujui-?ijp=0(8)能量方程:?xj?T?xj-?ujcpT+?v=0(9)式中:?v=?ui?xj?ui?xj+?uj?xi-23?uk?xk?ij;?为黏性系数,kg/(m?s);?为密度,kg/m3;?ij为 Delta函数;p 为压力,Pa;?为导热系数,W/(m?k);?为曲率;cp为比定压热容,kJ/(kg?K)。采用商用软件 Fluent 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 SIMPLE 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。2?结果与分析图 2 4 分别表示各直管与弯管段的温度分布和传热性能。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?rs43 与 rb41?rb43,而 内 层 螺 旋 管 为rs21?rs24、rb21?rb24、rs31?rs34与 rs41?rs44,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序为 se1?rs1?rb1?rs4?rb4,而内层螺旋管的顺序为rs2?rb3?rs3?rb2。116热科学与技术第 7 卷?图 2?不同单管的换热Fig.2?Heat transfer rate of different single tubes结 果 显 示,外 层 螺 旋 管(rb11?13 andrb41?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知,rs11?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。图 3?直管截面的温度分布Fig.3?T emperature profile along horizontal center lines in straight?tubes117?第 2 期?孔?戴等:螺旋管紧凑式换热器传热性能分析图 4?弯管截面的温度分布Fig.4?Temperature profile along horizontal center lines in bends3?结?语本文模拟分析了紧凑式小螺旋管换热器的流动传热特性。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。参考文献(References):1 MOAWED M.Experimental investigation of naturalconvection from verticalandhorizontalhelicoidalpipes in HVAC applications J.Energy Conserv&Mgmt,2005,46(18?19)2996?3013.2 HUTTL T Z,FRIEDRICH R.Influence of curvatureand torsion on turbulent flow in helically coiled pipes J.Int J of H eat and Fluid Flow,2000,21(3):345?353,2000.3 HUTTL T J,FRIEDRICH R.Direct numerical sim?ulation of turbulent flows in curved and helicallycoiled pipes J.Compu&Fluids,2001,30(5):591?605.4 DONG Z F,EBADIAN M A.Computer simulationof laminar and turbulent flow in helicoidal pipes as incompact heat exchangers M.Southampton,U.K:Compu.Mech.Pub.,1998:77?113.5 CONT?I,PENG X F.Numerical investigation oflaminar flows in coiled pipes J.Ap pl Therm Eng,2008,28(5?6):423?432.6 CONT?I,PENG X F,WANG B X.Numerical in?vestigation of forced fluid flow and heat transfer fromconically coiled pipes J.Nume H eat Transf er A:A pp l,2008,53(9):945?965.7 OST HUIZEN H P,NAYLOR D.An introduction toconvective heat transfer analysis M.New York:McGraw?Hill,1999.118热科学与技术第 7 卷?Heat transfer behavior of rectangularly coiled pipe heat exchangerCONTE?Ibrahima,?PENG?Xiao?feng,?YANG?Zhen(Lab.of Phase?Change and Interfacial T ransport Phenomena,Dept.of Therm.Eng.,Tsinghua Univ.,Beijing 100084,China)Abstract:A numerical simulation was conducted to investigate convective heat transfer from small andcompact coiled pipes heat exchangers using CFD software Fluent V6.One fluid(air)moved over thecoiled pipe while the second fluid(refrigerant R141B)with different temperatures flow through thepipe.T he studied coiled pipe was composed with 35 single tubes(straight tubes and bends)and thesimulation results showed the heat transfer rate of each single tube.T he temperature distribution andheat transfer were mainly influenced by temperature gradient,backflow conditions,exterior flowvelocity and heat transfer surface area of each single tube.Key words:heat exchanger;rectangular coils;tube arrangement;heat transfer enhancement119?第 2 期?孔?戴等:螺旋管紧凑式换热器传热性能分析