螺旋管傳熱系數(shù)實(shí)驗(yàn)研究和溫度場(chǎng)數(shù)值模擬

摘 要

摘要：采用實(shí)驗(yàn)方法對(duì)螺旋管換熱器對(duì)流傳熱系數(shù)進(jìn)行了測(cè)定，利用Fluent軟件對(duì)螺旋管周圍溫度場(chǎng)進(jìn)行了數(shù)值模擬。在實(shí)驗(yàn)條件下，水-水螺旋管傳熱系數(shù)的范圍為：自然對(duì)流情況下350～550W
摘要：采用實(shí)驗(yàn)方法對(duì)螺旋管換熱器對(duì)流傳熱系數(shù)進(jìn)行了測(cè)定，利用Fluent軟件對(duì)螺旋管周圍溫度場(chǎng)進(jìn)行了數(shù)值模擬。在實(shí)驗(yàn)條件下，水-水螺旋管傳熱系數(shù)的范圍為：自然對(duì)流情況下350～550W/(m2·K)、強(qiáng)制對(duì)流(攪拌)情況下400～730W/(m2·K)。Fluent軟件模型能基本反映溫度場(chǎng)的實(shí)際情況，模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果基本吻合。
關(guān)鍵詞：螺旋管；傳熱系數(shù)；溫度場(chǎng)；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(jiǎn)單、傳熱系數(shù)高等優(yōu)點(diǎn)，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(yīng)用。其彈簧狀結(jié)構(gòu)避免了因溫度的變化而引起溫差應(yīng)力，但也帶來(lái)了計(jì)算和設(shè)計(jì)上的復(fù)雜。在工程應(yīng)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(guò)程為流體流過(guò)固體表面發(fā)生對(duì)流、導(dǎo)熱傳熱聯(lián)合作用的傳熱過(guò)程[1～3]，有必要對(duì)螺旋管的傳熱系數(shù)進(jìn)行研究。本文通過(guò)實(shí)驗(yàn)和模擬手段對(duì)水-水螺旋管換熱器的傳熱系數(shù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)計(jì)算，對(duì)其周圍溫度場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬。
1 傳熱系數(shù)的理論計(jì)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(duì)數(shù)平均溫差，℃
螺旋管換熱器傳熱系數(shù)的計(jì)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(dǎo)率，W/(m·K)
    Am——螺旋管平均傳熱面積，m2
   通?？筛鶕?jù)經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算ho、hi，但適用于螺旋管的經(jīng)驗(yàn)公式不多，且具有較大的不準(zhǔn)確度。
2 實(shí)驗(yàn)部分
2.1 實(shí)驗(yàn)裝置
   采用螺旋管對(duì)水池內(nèi)的水進(jìn)行加熱，螺旋管中間裝有攪拌器，可模擬強(qiáng)制對(duì)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(jìn)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(zhǎng)度為14.13m，螺旋管采用不銹鋼制作，壁厚為2mm。
    為精確測(cè)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(jìn)出口各設(shè)置一只熱電偶，在進(jìn)口安裝渦輪流量計(jì)對(duì)螺旋管內(nèi)水流量進(jìn)行計(jì)量。溫度、流量采用組態(tài)軟件進(jìn)行監(jiān)控，可以進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示和儲(chǔ)存。
2.2 計(jì)算設(shè)定及原理
    根據(jù)實(shí)際情況對(duì)計(jì)算進(jìn)行簡(jiǎn)化：水池壁面認(rèn)為絕熱；傳熱沿螺旋管長(zhǎng)度方向不斷進(jìn)行，并隨著換熱時(shí)間的加長(zhǎng)傳熱系數(shù)不斷變化，傳熱系數(shù)是一個(gè)空間上和時(shí)間上瞬時(shí)變化的物理量，傳熱系數(shù)的評(píng)價(jià)基于換熱效果的整體評(píng)價(jià)，是在計(jì)算時(shí)間點(diǎn)上換熱區(qū)域內(nèi)的平均值；計(jì)算過(guò)程中認(rèn)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(jì)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(jìn)、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(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及傳熱系數(shù)的計(jì)算
    螺旋管內(nèi)熱水流速為0.51m/s，進(jìn)口溫度保持在46℃。根據(jù)設(shè)定參數(shù)在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行了相關(guān)實(shí)驗(yàn)，并計(jì)算傳熱系數(shù)。2008年7月9日的第2次實(shí)驗(yàn)采用強(qiáng)制對(duì)流傳熱，攪拌器的轉(zhuǎn)速為100min-1，其他實(shí)驗(yàn)為自然對(duì)流傳熱。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)見表1。
表1 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)
實(shí)驗(yàn)日期
換熱時(shí)間
螺旋管出口水溫/℃
水池溫度/℃
2008年6月20日
13:38—14:36
34.1～38.3
24.4～28.9
2008年7月1日
12:47—14:44
31.9～38.1
21.6～29.1
2008年7月9日
11:21—12:17
32.5～39.7
28.7～32.1
2008年7月9日
14:30—15:27
32.8～39.5
28.5～32.1
螺旋管傳熱系數(shù)隨時(shí)間的變化見圖1～2。
 

    由實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，在設(shè)定實(shí)驗(yàn)條件下，水-水螺旋管傳熱系數(shù)的范圍為：自然對(duì)流情況下350～550W/(m2·K)，強(qiáng)制對(duì)流(攪拌)情況下400～730W/ (m2·K)。由實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析可知，隨著加熱的進(jìn)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(qiáng)換熱效果。自然對(duì)流情況下，水池內(nèi)溫度分層現(xiàn)象嚴(yán)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(qiáng)，溫度分層現(xiàn)象得到緩解。
3 溫度場(chǎng)數(shù)值模擬
   ① Fluent軟件簡(jiǎn)介
   Fluent軟件是目前功能全面、適用性較強(qiáng)、國(guó)內(nèi)使用廣泛的CFD軟件之一。可用于模擬從不可壓縮到高度可壓縮范圍內(nèi)的復(fù)雜流體流動(dòng)，靈活的非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格和基于解的自適應(yīng)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(xué)反應(yīng)、多相流、旋轉(zhuǎn)機(jī)械、動(dòng)變形網(wǎng)格、噪聲、材料加工、燃料電池等方面得到廣泛應(yīng)用[7]。
   ② 模型的建立
   根據(jù)自然對(duì)流實(shí)驗(yàn)條件進(jìn)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(lái)一定困難，計(jì)算量也很大。針對(duì)特殊情況，采用三維畫圖軟件進(jìn)行模型建立，導(dǎo)入GAMBIT進(jìn)行網(wǎng)格劃分，在網(wǎng)格劃分過(guò)程中，采用局部加密和設(shè)置旋轉(zhuǎn)區(qū)域的方法最終實(shí)現(xiàn)計(jì)算[8、9]。
   ③ 模擬結(jié)果及分析
   螺旋管內(nèi)水流隨著流動(dòng)方向溫度逐步降低，進(jìn)出口具有12℃左右溫差。水池內(nèi)水溫隨著加熱的進(jìn)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(dá)到的深度，水溫幾乎沒(méi)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(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比見表2。計(jì)算模型得到的溫度分布結(jié)果與實(shí)驗(yàn)基本吻合，可利用軟件模擬計(jì)算對(duì)實(shí)驗(yàn)過(guò)程進(jìn)行簡(jiǎn)化，進(jìn)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(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比
距水池頂部距離/mm
600
900
1200
模擬結(jié)果/℃
26.14
26.24
21.32
實(shí)驗(yàn)結(jié)果/℃
26.42
25.52
21.26
4 結(jié)論
    ① 在實(shí)驗(yàn)條件下，水-水螺旋管傳熱系數(shù)的范圍為：自然對(duì)流情況下350～550W/(m2·K)，強(qiáng)制對(duì)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(qiáng)而增大。
    ② 由傳熱系數(shù)計(jì)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(dòng)情況等多種因素有關(guān)，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)也充分說(shuō)明了這一點(diǎn)。目前，尚沒(méi)有精確計(jì)算螺旋管傳熱系數(shù)的計(jì)算公式，需進(jìn)一步進(jìn)行研究。
    ③ 建立的Fluent軟件模型能反映溫度場(chǎng)的實(shí)際情況，溫度分布的模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)基本吻合。這種數(shù)值模擬和物理實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方法可以為實(shí)驗(yàn)提供幫助和指導(dǎo)，應(yīng)進(jìn)行進(jìn)一步研究。
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(本文作者：陳志光 秦朝葵 戴萬(wàn)能 同濟(jì)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院 上海 201804)