摘要：采用實驗方法對螺旋管換熱器對流傳熱系數(shù)進行了測定，利用Fluent軟件對螺旋管周圍溫度場進行了數(shù)值模擬。在實驗條件下，水-水螺旋管傳熱系數(shù)的范圍為：自然對流情況下350～550W/(m2·K)、強制對流(攪拌)情況下400～730W/(m2·K)。Fluent軟件模型能基本反映溫度場的實際情況，模擬結(jié)果與實驗結(jié)果基本吻合。
關(guān)鍵詞：螺旋管；傳熱系數(shù)；溫度場；Fluent軟件；模擬
Experimental Research on Heat Transfer Coefficient of Spiral Tube and Numerical Simulation of Temperature Field
CHEN Zhi-guang，QIN Chao-kui，DAI Wan-neng
Abstract：The convective heat transfer coefficient of spiral tube heat exchanger is measured by experimental method，and the numerical simulation of temperature field around the spiral tube is carried out by Fluent software. Under the experimental condition，the range of water-water heat transfer coefficient of spiral tube heat exchanger is 350 to 550W/(m2·K)in natural convection case and 400 to 730W/(m2·K)in forced convection case(stirring).The Fluent software model can basically reflect the actual situation of temperature field. The simulation result basically accords with the experimental result.
Key words：spiral tube；heat transfer coefficient；temperature field；Fluent software；simulation
螺旋管換熱器具有結(jié)構(gòu)簡單、傳熱系數(shù)高等優(yōu)點，其優(yōu)越的結(jié)構(gòu)特性和高效的換熱效率，使其在熱力、化工、石油及核工業(yè)等領(lǐng)域得到了廣泛應用。其彈簧狀結(jié)構(gòu)避免了因溫度的變化而引起溫差應力，但也帶來了計算和設(shè)計上的復雜。在工程應用中，由于工藝要求，往往需將流體加熱至規(guī)定的溫度范圍，傳熱是其中的基本單元操作。螺旋管換熱器的傳熱過程為流體流過固體表面發(fā)生對流、導熱傳熱聯(lián)合作用的傳熱過程[1～3]，有必要對螺旋管的傳熱系數(shù)進行研究。本文通過實驗和模擬手段對水-水螺旋管換熱器的傳熱系數(shù)進行實驗計算，對其周圍溫度場進行數(shù)值模擬。
1 傳熱系數(shù)的理論計算
換熱器穩(wěn)態(tài)傳熱的基本方程為[4～6]：
Ф=KA△tm
式中Ф——熱流量，W
K——傳熱系數(shù)，W/(m2·K)
A——換熱器的換熱面積，m2
△tm——換熱器的對數(shù)平均溫差，℃
螺旋管換熱器傳熱系數(shù)的計算式為：
式中ho——螺旋管外側(cè)表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)，W/(m2·K)
hi——螺旋管內(nèi)側(cè)表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)，W/(m2·K)
Ao——螺旋管外表面積，m2
Ai——螺旋管內(nèi)表面積，m2
Ro——螺旋管外側(cè)污垢熱阻，(m2·K)/W
Ri——螺旋管內(nèi)側(cè)污垢熱阻，(m2·K)/W
δ——螺旋管壁厚，m
λ——螺旋管壁熱導率，W/(m·K)
Am——螺旋管平均傳熱面積，m2
通?？筛鶕?jù)經(jīng)驗公式計算ho、hi，但適用于螺旋管的經(jīng)驗公式不多，且具有較大的不準確度。
2 實驗部分
2.1 實驗裝置
采用螺旋管對水池內(nèi)的水進行加熱，螺旋管中間裝有攪拌器，可模擬強制對流。圓柱形水池容積為2m3，高度為1.5m，外壁采用50mm厚XPS(擠塑聚苯乙烯)板進行絕熱。螺旋管換熱器相關(guān)尺寸：螺旋管管外徑為20mm，螺旋圈中心直徑為300mm、螺旋管管圈數(shù)為14.5，螺旋管總長度為14.13m，螺旋管采用不銹鋼制作，壁厚為2mm。
為精確測定池內(nèi)溫度分布情況，池內(nèi)共布置9支銅康銅熱電偶。分3層每層3支均勻布置，分別位于距頂部600、900、1200mm處，每層3支熱電偶分別距水池壁面150、250、400mm。螺旋管進出口各設(shè)置一只熱電偶，在進口安裝渦輪流量計對螺旋管內(nèi)水流量進行計量。溫度、流量采用組態(tài)軟件進行監(jiān)控，可以進行實時顯示和儲存。
2.2 計算設(shè)定及原理
根據(jù)實際情況對計算進行簡化：水池壁面認為絕熱；傳熱沿螺旋管長度方向不斷進行，并隨著換熱時間的加長傳熱系數(shù)不斷變化，傳熱系數(shù)是一個空間上和時間上瞬時變化的物理量，傳熱系數(shù)的評價基于換熱效果的整體評價，是在計算時間點上換熱區(qū)域內(nèi)的平均值；計算過程中認為水池內(nèi)溫度均勻分布，水溫為池內(nèi)設(shè)置熱電偶的平均值；采用鋼質(zhì)螺旋管，且螺旋管為新制造，可忽略污垢熱阻影響。
螺旋管放熱量多，的計算式為：
Фr=cpqm(t1-t2) (3)
式中Фr——螺旋管放熱量，W
cp——水的比定壓熱容，J/(kg·K)
qm——螺旋管內(nèi)熱水的質(zhì)量流量，kg/s
t1、t2——螺旋管熱水進、出口溫度，℃
根據(jù)能量守恒原理，式(1)與式(3)相等，聯(lián)立可求得螺旋管的傳熱系數(shù)。
2.3 實驗數(shù)據(jù)及傳熱系數(shù)的計算
螺旋管內(nèi)熱水流速為0.51m/s，進口溫度保持在46℃。根據(jù)設(shè)定參數(shù)在實驗室進行了相關(guān)實驗，并計算傳熱系數(shù)。2008年7月9日的第2次實驗采用強制對流傳熱，攪拌器的轉(zhuǎn)速為100min-1，其他實驗為自然對流傳熱。實驗數(shù)據(jù)見表1。
表1 實驗數(shù)據(jù)
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實驗日期
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換熱時間
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螺旋管出口水溫/℃
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水池溫度/℃
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2008年6月20日
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13:38—14:36
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34.1～38.3
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24.4～28.9
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2008年7月1日
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12:47—14:44
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31.9～38.1
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21.6～29.1
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2008年7月9日
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11:21—12:17
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32.5～39.7
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28.7～32.1
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2008年7月9日
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14:30—15:27
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32.8～39.5
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28.5～32.1
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螺旋管傳熱系數(shù)隨時間的變化見圖1～2。
由實驗數(shù)據(jù)可知，在設(shè)定實驗條件下，水-水螺旋管傳熱系數(shù)的范圍為：自然對流情況下350～550W/(m2·K)，強制對流(攪拌)情況下400～730W/ (m2·K)。由實驗數(shù)據(jù)分析可知，隨著加熱的進行，螺旋管內(nèi)外換熱溫差逐步減小，傳熱系數(shù)逐步降低。攪拌能增強換熱效果。自然對流情況下，水池內(nèi)溫度分層現(xiàn)象嚴重，在未攪拌的情況下，加熱1h后，距水池頂部600mm與距頂部1200mm的平均水溫相差8℃左右，隨著攪拌的加強，溫度分層現(xiàn)象得到緩解。
3 溫度場數(shù)值模擬
① Fluent軟件簡介
Fluent軟件是目前功能全面、適用性較強、國內(nèi)使用廣泛的CFD軟件之一?？捎糜谀M從不可壓縮到高度可壓縮范圍內(nèi)的復雜流體流動，靈活的非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格和基于解的自適應網(wǎng)格技術(shù)及成熟的物理模型，使Fluent軟件在層流、湍流、傳熱、相變、化學反應、多相流、旋轉(zhuǎn)機械、動變形網(wǎng)格、噪聲、材料加工、燃料電池等方面得到廣泛應用[7]。
② 模型的建立
根據(jù)自然對流實驗條件進行模型建立和網(wǎng)格劃分，由于螺旋管結(jié)構(gòu)的特殊性，給建模帶來一定困難，計算量也很大。針對特殊情況，采用三維畫圖軟件進行模型建立，導入GAMBIT進行網(wǎng)格劃分，在網(wǎng)格劃分過程中，采用局部加密和設(shè)置旋轉(zhuǎn)區(qū)域的方法最終實現(xiàn)計算[8、9]。
③ 模擬結(jié)果及分析
螺旋管內(nèi)水流隨著流動方向溫度逐步降低，進出口具有12℃左右溫差。水池內(nèi)水溫隨著加熱的進行逐步升高，豎直截面上溫度分布具有明顯的分層現(xiàn)象，底部溫度較低，頂部溫度較高。在螺旋管未達到的深度，水溫幾乎沒有變化。在同一截面上，隨著與螺旋管距離的增大水溫略有降低，但差別不明顯，約1℃。距水池頂部600、900、1200mm截面平均溫度的模擬結(jié)果與實驗結(jié)果對比見表2。計算模型得到的溫度分布結(jié)果與實驗基本吻合，可利用軟件模擬計算對實驗過程進行簡化，進一步分析水池內(nèi)溫度分布情況和加熱效果。
表2 水池不同截面平均溫度的模擬與實驗結(jié)果對比
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距水池頂部距離/mm
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600
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900
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1200
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模擬結(jié)果/℃
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26.14
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26.24
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21.32
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實驗結(jié)果/℃
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26.42
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25.52
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21.26
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4 結(jié)論
① 在實驗條件下，水-水螺旋管傳熱系數(shù)的范圍為：自然對流情況下350～550W/(m2·K)，強制對流(攪拌)情況下400～730W/(m2·K)。傳熱系數(shù)隨著管內(nèi)外傳熱溫差的減少而減小，隨著攪拌的加強而增大。
② 由傳熱系數(shù)計算式可知，傳熱系數(shù)與換熱器面積、換熱溫差、管內(nèi)外流體的流動情況等多種因素有關(guān)，實驗數(shù)據(jù)也充分說明了這一點。目前，尚沒有精確計算螺旋管傳熱系數(shù)的計算公式，需進一步進行研究。
③ 建立的Fluent軟件模型能反映溫度場的實際情況，溫度分布的模擬結(jié)果與實驗基本吻合。這種數(shù)值模擬和物理實驗相結(jié)合的方法可以為實驗提供幫助和指導，應進行進一步研究。
參考文獻：
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[5] 化學工程手冊編輯委員會.化學工程手冊[M].北京：化學工業(yè)出版社，1989.
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[7] 王福軍.計算流體動力學分析—CFD軟件原理與應用[M].北京：清華大學出版社，2004.
[8] JAYAKUMAR J S，MAHAJANI S M，Manadal J C，et al. Experimental and CFD estimation of heat transfer in helically coiled heat exchangers[J].Chemical Engineering Research and Design，2008，(3)：221-232.
[9] KUMAR V，F(xiàn)AIZEE B，MRIDHA M，et al. Numerical studies of a tube-in-tube helically coiled heat exchanger[J].Chemical Engineering and Processing，2008.(12)：2287-2295.
(本文作者：陳志光 秦朝葵 戴萬能 同濟大學 機械工程學院 上海 201804)
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