新型外螺紋橫紋管管外強化傳熱分析

李洪亮，關延軍，劉嘉渝，門啟明，杜柯江

(1.中國石油云南石化公司，云南 昆明 650399；2.中國石油吉林石化公司 乙烯廠，吉林 吉林 132021；3.中國石油吉林石化公司 建修公司，吉林 吉林 132021；4.上海船用柴油機研究所，上海 201108)

橫紋管出現于20世紀70年代，是一種強化傳熱管，主要用于管內傳熱的強化。其以光管為基管，通過滾壓的方式在換熱管上制作周期性的凹槽，使介質在管內流動時形成渦流，破壞邊界層，達到傳熱強化的目的[1-2]。經過多年的發展，橫紋管換熱器的設計、制造技術已經成熟，公開發表的研究也比較多。Arman[3]、莊禮賢[4]以及黃德斌[5]等采用實驗或數值模擬的方法研究了橫紋管的管內傳熱性能。不過關于橫紋管管外傳熱性能的研究還比較少見，僅江楠等[6]給出了橫紋管管殼式換熱器的設計計算方法。

相比于普通光管，由于管外存在凹槽造成的擾動，橫紋管能夠起到一定的管外傳熱強化作用，但并不明顯?；谶@一特點，作者通過在橫紋管管外直邊段加工外螺紋的方式增強其管外流體擾動，進一步提高其傳熱性能。

1 新型外螺紋橫紋管

外螺紋橫紋管以橫紋管為基管，其直邊段加工標準外螺紋，以充分利用管外直邊段結構，從而強化其管外傳熱。為了方便標準化制作，直邊段新增外螺紋為標準螺紋尺寸。以此為依據確定新型換熱管的結構見圖1。

圖1 外螺紋橫紋管

雖然從原理上分析，新型換熱管能夠增強管外的流體擾動，對管外傳熱有積極的作用，但作為一種新型強化傳熱管，目前并不能定量說明其管外傳熱強化程度。

為解決這一問題，作者采用數值模擬的方法，研究外螺紋橫紋管的管外傳熱和流動特性，通過管外流體的速度分布和溫度分布規律，分析其管外強化傳熱機理。同時，比較相當尺寸和邊界條件下，外螺紋橫紋管和普通橫紋管的傳熱和流動效果，直觀地說明外螺紋橫紋管對管外傳熱的強化作用。

2 計算模型

2.1 幾何模型

考慮到普通橫紋管具有管內強化傳熱作用，確定幾何尺寸時，以相關文獻[7]中對普通橫紋管管內傳熱研究給出的最優幾何結構作為本節數值模擬的基管結構，在該結構管外直邊段上添加外螺紋，以得到綜合傳熱性能最好的新型換熱管結構。作者模擬采用的外螺紋橫紋管及用于對比的普通橫紋管結構尺寸見圖2、表1。為了對比不同螺紋尺寸新型換熱管的傳熱能力，建立了三種不同螺紋高度的幾何模型。

a 外螺紋橫紋管

b 普通橫紋管圖2 幾何模型

mm

2.2 網格劃分

根據以上幾何結構及尺寸創建的幾何模型和網格劃分情況見圖3，圖中的外螺紋橫紋管為螺紋齒高為1 mm的模型。

a 普通橫紋管

b 外螺紋橫紋管圖3 幾何模型及網格劃分

2.3 邊界條件

數值模擬參考文獻[8](主要內容是波紋管殼程流動與傳熱數值模擬)中用于其它形式強化管傳熱數值模擬的邊界條件設置，選擇速度進口作為入口邊界條件(velocity inlet)，出口邊界設置為自由出口(outflow)。

由于建模時沒有考慮管內的流動區域，管外流體的受熱升溫過程通過在換熱管外壁面給定一個較高的溫度實現，模擬壁面溫度設為90 ℃。同時，為了使外螺紋橫紋管與普通橫紋管的對比更加明顯，需給定較大的傳熱溫差，設定進口邊界溫度為20 ℃。介質定性溫度采用試算的方法確定，首先采用進口溫度20 ℃時流體物性進行試算，計算得到相應的出口溫度，再用進、出口溫度的平均值作為最終的定性溫度進行計算。試算得到管外出口溫度為22.88 ℃，定性溫度為進出口平均溫度21.44 ℃，因此采用21.44 ℃時水的物性作為介質溫度進行計算。

在壁面邊界條件設置對話框中勾選壁面熱傳導，壁面材料為不銹鋼(stainless steel)，給定壁面厚度為2 mm。這樣操作會使Fluent在計算過程中自動考慮壁面的導熱，因而不用在建立幾何模型時額外建立真實的壁厚，簡化了整個計算過程。

計算模型里勾選能量方程選項(Energy)。黏度模型選擇標準k-epsilon模型，標準壁面方程。壓力速度求解器選擇SIMPLE，動量、能量方程求解方法選擇二階迎風格式(Second Order Upwind)。

計算過程中監測出口的溫度值，以此來判斷計算是否收斂。定義收斂條件為默認條件，即能量方程殘差小于1×10-6收斂，其余方程小于1×10-3收斂。計算過程中監測換熱管壁面傳熱量，以此來判斷計算是否收斂(隨著迭代的進行，壁面傳熱量穩定在某一特定值，認為計算收斂)。

3 結果分析

3.1 流動分析

由于傳熱與流動存在一定的關系，分析新型換熱管管外流動情況，通過對比外螺紋橫紋管與普通橫紋管管外速度云圖，得到兩種換熱管管外流動情況，進而分析新型換熱管強化傳熱機理。

普通橫紋管及外螺紋橫紋管管外橫紋槽處的速度分布見圖4。從圖4可以直觀地看出外螺紋對于流動的擾動。普通橫紋管在橫紋槽之間直邊段位置的速度等值線基本與管壁平行，只是在橫紋槽的位置會由于流動區域的突然變大和變小造成速度等值線的波動。而外螺紋橫紋管由于其直邊段存在螺紋，流體在這一區域的流動呈現出一定的波動。該種波動也會朝著遠離管壁的區域擴散，表現在圖中即是外螺紋橫紋管的管外高速流動區域更大。

螺紋的存在引發的流體擾動能夠持續破壞流動邊界層，使得直邊段的傳熱更加劇烈，也就在一定程度上增強了整根換熱管的傳熱。而且這種復雜的流動使換熱管的抗結垢能力增強，對于傳熱也有很大的促進作用。

a 普通橫紋管

b 外螺紋橫紋管圖4 局部速度云圖

3.2 傳熱分析

3.2.1 改造前后傳熱對比

為了方便對比，數值模擬了不同流速下外螺紋橫紋管和普通橫紋管的傳熱情況。利用數值模擬得到的1 mm齒高外螺紋橫紋管和普通橫紋管的各種傳熱及流動參數，對其傳熱和流動阻力進行定量對比。從模擬結果中導出原始參數見表2。

表2 原始計算數據

為了評估在管外這邊段加工外螺紋對橫紋管管外傳熱的強化程度，通過以上數據計算得到兩種換熱管管外Nu，其隨Re變化的情況見圖5。

Re圖5 Nu隨Re變化

從圖5中可以發現，兩種結構的換熱管其管外Nu均隨Re增大而增大，但外螺紋橫紋管管外Nu并非一直大于普通螺紋管，兩者的曲線在Re=8.7×104有所相交。也就是說，在Re較小時，外螺紋橫紋管管傳熱效果更好，而當Re達到一定程度后，反而是普通橫紋管的傳熱能力更強。這是由于Re較小時，流速較小，使得外螺紋的擾動作用能夠充分發揮，而當流速變大后，外螺紋帶來的擾動反而不如本身的湍流擾動，反而形成了一定的阻礙作用。所以，對比所采用的外螺紋橫紋管適用于9.4×103

雖然隨著Re的增大會出現外螺紋橫紋管管外Nu小于普通橫紋管的情況，但從表2可以發現，外螺紋橫紋管總傳熱量始終大于普通橫紋管。即使Re增大到一定值以后外螺紋橫紋管的傳熱能力不再大于普通橫紋管，但由于直邊段的螺紋使整個換熱管傳熱面積有所增加，總的管外傳熱量仍然大于普通橫紋管，管外傳熱還是得到了強化。

3.2.2 不同螺紋尺寸傳熱能力對比

對建立的三種尺寸(0.5、1、1.5 mm齒高)外螺紋橫紋管管外傳熱進行對比，選出具有最佳管外傳熱性能的外螺紋橫紋管，為工程應用提供參考。

不同齒高外螺紋橫紋管管外Nu隨Re的變化見圖6。

Re圖6 不同螺紋尺寸Nu對比

由圖6可以看出，管外Nu隨著Re的增大而增大，也就是說流動速度越快，外螺紋橫紋管傳熱效果更好。三種不同螺紋齒高的外螺紋橫紋管管外Nu相差不多，但從具體數據來看，在具有相同的Re的前提下，1.5 mm齒高Nu最大，0.5 mm齒高Nu最小。這說明螺紋齒高越大，其對管外流體的擾流作用更強，換熱管傳熱能力更強。但總的來說，三種不同齒高的外螺紋橫紋管管外Nu相差不多，可以近似認為螺紋尺寸對于傳熱沒有影響。

3.3 壓降分析

3.3.1 改造前后壓降對比

兩種換熱管壓降對比見圖7。從圖7可以看出，兩種形式換熱管的管外壓降均隨Re的增大而增大。而且無論在什么流速范圍，外螺紋橫紋管的管外流動阻力降始終高于普通橫紋管。這說明在橫紋管管外直邊段上加工的螺紋對于流動阻力的影響比較明顯，且隨著Re的增大，其管外壓降增大的比例越大。在考察范圍內，流速為10 m/s時兩者相差最大，為10.11%。

Re圖7 壓降隨Re變化

3.3.2 不同螺紋尺寸壓降對比

不同螺紋尺寸外螺紋橫紋管管外進出口壓降對比見圖8。

Re圖8 不同螺紋尺寸壓降對比

由圖8可以發現，隨著螺紋深度的增加，外螺紋橫紋管管外流動阻力損失逐漸增大，三種尺寸中，1.5 mm齒高壓降最大。三中螺紋尺寸阻力降相差比例在Re最大時達到最大值，為5.38%?？紤]到之前Nu對比結論，認為螺紋齒高較小的0.5 mm結構為傳熱和阻力損失綜合性能較好的外螺紋橫紋管結構。

4 結 論

通過對橫紋管的結構進行分析，提出一種在橫紋管基礎上提高管外強化傳熱能力的新型外螺紋橫紋換熱管。采用數值模擬的方法對外螺紋橫紋管的流體狀態和傳熱性能進行了研究，并和普通橫紋管進行了對比分析。主要結論如下。

(1) 新型外螺紋橫紋管將橫紋管與外螺紋換熱管結合，通過在橫紋管外壁面加工外螺紋得到，使橫紋管的管外傳熱能力進一步增強；

(2) 與普通橫紋管相比，外螺紋橫紋管對于管外的傳熱有比較明顯的強化，其管外Nu最大增加比例為43%。但隨著Re的增加，強化效果逐漸減弱，到Re增大到一定程度時，其管外傳熱能力反而不如普通橫紋管。不同幾何結構外螺紋橫紋管對比發現，管外螺紋螺距更大，螺紋牙更高，螺紋造成的流體擾動作用更強，傳熱效果更好；

(3) 外螺紋橫紋管管外阻力損失比普通橫紋管大，增大程度與螺紋高度有關，螺紋牙越高，壓降越大?？紤]到隨著螺紋牙高度的增加，Nu的增加很微小，因此，螺紋牙較低的外螺紋橫紋管具有更好的綜合性能。

參 考 文 獻：

[1] 陸應生,莊禮賢,阮志強,等.高效換熱元件——橫紋管[J].化工進展,1988(3)：10-13.

[2] 曾文明.新型高效換熱器[J].制冷,1985(3)：126-139.

[3] ARMAN B,RABAS T J.Two-layer-model predictions of heat transfer inside enhanced tubes[J].Numerical Heat Transfer,1994,25(6)：721-741.

[4] 莊禮賢.強化傳熱元件的研究進展[J].制冷,1992 (4)：27-38.

[5] 黃德斌,鄧先和,邢華偉.異形管內水力、傳熱性能的數值模擬[J].高?；瘜W工程學報,2003,17(2)：146-150.

[6] 江楠,張術寬,俞惠敏.橫紋管管殼式換熱器設計計算方法簡介[J].石油化工設備技術,2002,23(1)：6-8.

[7] 李洪亮,柳坤.橫紋管強化吸收器的傳熱傳質實驗研究[J].化學工程,2011,39(1)：14-18.

[8] 王鈺沛.異形管換熱器殼側對流換熱數值模擬與實驗研究[D].天津：天津大學,2013：22-24.

Analysisonheattransferenhancementofthenewpattern