波纹管换热器传热与流动优化模拟

吴泽鑫 国家能源集团宁夏煤业公司煤制油化工安装检修分公司 宁夏 银川

摘要：波纹管换热器具有传热系数高、不易结垢、操作温度范围广、管程压降小、便于维修养护等特点。本文应用FLUENT软件模拟研究了波纹管槽宽、流速对波纹管传热与流动性能的影响。研究结果表明，波纹管的换热系数随着流速的增大呈现出两段斜率，第一斜率明显大于光管斜率，第二斜率近似相等或低于光管斜率。这也是湍流扰动强化传热从无到有再到趋于稳定的过程；螺距与槽深确定后，适当的槽宽可以使波纹管在较低的流速下换热效果达到最好。

关键词：波纹管；湍流强度；涡流扰动；传热；流阻

引 言

管壳式换热器因其传热效率高、结构紧凑、不易结构和泄露等优点在石油、化工、动力和食品等工业生产部门中占有重要的地位，其应用约占到全部换热器的70%左右^[1]。通过对换热管的优化设计追求其换热效率的提高成为众多科研工作者关注的焦点,目前通过对光管的改进实现强化传热的研究主要体现在两个方面，在光管内放置不同形状的翅片是一种方法，另一种方法则是通过改变管壁结构强化传热。对于这两种强化传热的手段也相应出现了不同样式的换热管，如内肋管、螺纹管、螺旋槽管、波纹管、翅片管、扁管等。

东北大学的郎逵^[2]通过研究波纹换热管，指出波纹管的换热效果是普通光管的2-4倍。张一帆等^[3]给出了内螺旋波纹管内的传热情况。A.Barba等^[4]通过实验的方法研究了低雷诺数下波纹管管内流体对流换热以及阻力性能，与光管相比，波纹管的Nu数有明显的提高，但其摩擦系数也相应增加了1.83-2.45倍。

基于前人的研究基础上，本工作应用FLUENT软件对槽深不同的几组波纹管进行了对比模拟研究和参数优化。固定波纹管螺距和槽深，改变槽宽尺寸；探讨了槽深和流速的变化对波纹管传热和流体阻力的影响，通过对多组波纹管的相互比较发现流体在波纹管内传热与流动阻力的规律，以期为波纹管换热器在工业制造和设计生产中提供参考数据。

1 几何建模与网格划分

为简化计算，本文模拟选用了二维模型，首先采用AutoCAD软件进行模型建立，然后利用FLUENT前处理软件ICEM进行网格划分。为了提高精度和降低计算工作量，本论文采用了以四边形为主的网格划分方式，考虑到波纹管壁面流体流动的特殊性，采用非均匀化网格划分技术，即在管壁处网格划分较密，其他地方网格数量较稀。

用于模拟的波纹换热管的几何尺寸采用JB/T4722-1992《管壳式换热器用波纹换热管基本参数和技术条件》推荐尺寸。波纹管总长度为250mm，为保证进出口段流体可以在管内得到充分发展，不会对波纹管段的传热与流动造成影响^[5]，在进出口段设置两个直管段，各为50mm。

图1 波纹管局部结构示意图

本文所探讨的波纹管当量直径统一为25mm，模拟波纹管尺寸参数如下：

波纹管固定螺距（2.5mm）和槽深(1.4mm)，改变槽宽尺寸。波纹管的槽宽尺寸分别为0.7、0.9、1.1、1.3、1.5、1.7、1.9和2.1mm，分别编为1-8号波纹管。

2 工质和FLUENT求解设置

本次模拟所选用的流体为水，并假设其为不可压缩牛顿流体。采用Simple算法，Enhanced Wall Treatment Realizable k-e湍流模型，湍流强度设为1，水力直径为25mm。

入口边界条件：设定为速度边界，流速由0.2m/s-3.2m/s，每隔0.3m/s模拟一次，入口流体温度为293K；

出口边界条件：设定为压力出口，出口的相对压力为0；

壁面边界条件：设定壁面为恒温363K。

3 模拟结果分析与讨论

3.1 槽宽对换热与流动的影响

3.1.1 槽宽对换热性能的影响

固定螺距和槽深，探讨槽宽对于换热管换热与流动的影响，模拟结果见图2。模拟结果表明，低流速下换热系数受螺距与槽宽比值变化的影响较小；在流速达到0.5m/s以后，换热系数会随着槽宽与螺距比值的增大而增大。当数值增大到0.6后，换热系数基本不会再发生变化；随着流速的增大，换热效果达到最佳的槽宽与螺距比值有前移的趋势。

图2 不同流速下换热系数和a/P的关系

3.1.2 槽宽对流动阻力的影响

模拟结果表明，见图3，在槽宽与螺距比值较小时，阻力系数会随着流速的增大先下降后上升到一个峰值后再下降；在槽宽与螺距的比值较大时，阻力系数随着流速的增大而先增大到一个峰值后再下降；随着槽宽与螺距比值的增大，上述峰值的出现逐渐向左偏移，即槽宽与螺距比值越大，峰值出现时的雷诺数越小；在相同雷诺数下，槽宽与螺距的比值越大，阻力系数也越大，且各波纹管阻力系数明显大于光管。

图3 不同波纹管阻力系数和流速的关系

3.1.3 光管与不同槽宽波纹管不同流速下换热性能分析

光管随着流速的增大，其换热系数大致成线性增长。波纹管换热系数主要有两个斜率段构成，第一斜率段的斜率明显大于第二斜率段。引起这种现象的原因主要在于湍流扰动在第一斜率段起到了主导作用，在第二斜率时，对换热系数起主导作用的是流速，在螺纹槽附近产生的湍流扰动作用基本趋于稳定。涡流扰动引起的轴向流体混合本来已足够充分，比较匮乏的径向流体混合受到槽深的影响无法进一步强化，其二段斜率也逼近光管斜率，随着流速的不断增大，整个换热管边界层逐渐变薄，由于槽深的限制，波纹管螺纹槽顶壁面的边界层不易被影响，故与光管相比，光管的换热效果强化要优于波纹管，故波纹管的二段斜率甚至会低于光管斜率。随着流速的增大，对阻力系数的波动受到两个方面的影响。此时，流体粘性作用的体现越来越小，流体分子之间惯性力的作用会越来越大，边界层因为流体分子受到惯性力作用会变薄，压力降减小，有效的降低了流动阻力系数。

图4 光管与不同螺宽波纹管在不同流速下的换热系数关系

对于波纹管来说，随着流速的增大，阻力系数不是一味的下降，其中会出现一个最大值，通过对比观察图3和图4，发现这个最大值大致出现在第一斜率的末端。伴随流速的增大，湍流扰动从无到有并逐渐增大，当湍流扰动的影响范围大到包含整个螺纹槽时，出现了阻力系数的最大值。

4 结论

运动流体质点原本延轴向流动，故由涡流扰动引起的轴向流体交换已相当充分，如果可以将发展较为匮乏的径向流体混合得到强化，波纹管换热系数会得到进一步优化。因此螺纹槽内涡流扰动引起的径向流体混合得到充分强化是波纹管总体换热效率提升的重点。

在槽深和螺距不变的情况下，适当的槽宽与螺距比可使螺纹槽内进入尽可能多的运动流体质点，在较低流速下使湍流扰动的影响范围达到最大，但随着槽宽的进一步增大，换热效果基本不会得到提升，但其阻力系数增大。

波纹管的换热系数随着流速的增大而增大，由光管与各波纹管在不同流速下的换热系数图发现，光管的斜率基本成线性增长，而螺纹管的换热系数

呈现出两个斜率，在较为优异的波纹管中，第一斜率明显大于光管斜率，第二斜率近似相等或低于光管斜率。这也是湍流扰动强化传热从无到有再到趋于稳定的过程。其后，换热系数增长的主要原因在于流速的增大使换热管壁面边界层变薄，在此阶段，波纹管由于螺纹槽的存在，其槽顶壁面边界层受到的影响较小，固其斜率与光管相比会低一些。

参考文献

References

[1] 马晓驰. 国内外新型高效换热器[J]. 化工进展, 2001, (1): 49-51

[2] 郎逵. 波节型换热元件的实验研究[J]. 东北大学学报, 1995, 16(4): 438-441

[3] 张一帆, 李会雄, 张煜乾. 内螺纹管管型结构对管内流动阻特性的影响[J]. 工程热物理学报, 2011, 32(7): 1161-1164

[4] A.Barba,S. Rainieri,M. Spiga. Heat transfer enhancement in a corrugated tube[J]. International Communications in Heat and Mass Transfer. 2002, 29: 313-322.

[5] 邓松圣. 单头螺纹管入口段流阻及传热性能实验研究[J]. 钢铁, 1993, (11): 64-68