壳管式换热器的热设计与热校核,优秀论文丨新型强化换热管壳程流动与换热特性
新式加强传热管壳程流动性与传热特点
创作者：胡伟强、梁焯晖、梁展程
（广东万和热量贸易有限公司）
引言：对于天然气壁挂炉中二级热交换器可运用的新式加强换散热管，文中选用三维有限元分析方式，从速率工作压力场协作性、综合考核因素ε、速率温度场协作角三个层面对歪曲管、波节管、金属波纹管进行科学研究。结果显示歪曲管针对管外流动性的加强实际效果好于波节管和金属波纹管，三场协作性最好是。Re<4500时歪曲管传热指数最大，4500<Re<8000波节管传热指数最大；波节管的波峰焊针对加强传热和减阻功效明显，关键反映在波峰焊与周边管教产生放缩安全通道，可以提升速率工作压力场协作性与此同时薄化附面层；金属波纹管的竖向冲洗损耗、加强传热主要表现均弱于波节管和歪曲管。数值为管壳式换热器设计方案给予一定的基础理论和根据。
关键字：歪曲管、场协作、加强传热、有限元分析
引言
天然气壁挂炉的二级热交换器做为主热交换器的余热回收利用设备，针对提高总体能效等级拥有主要实际意义，而且分离式二级热交换器有利于维护保养。换散热管做为热交换器的关键元器件，提升换散热管提升传热效和减少基础代谢针对工程项目运用具备关键实际意义[1]。
自20世际60时代逐渐，加强传热技术性进度快速，关键以各种各样加强换散热器的运用相关。波浪纹低肋管是一种非常典型的加强管，它的横截面有别于金属波纹管的大波浪状，反而是一种聚集的小波浪纹，关键根据波浪纹褶子扩大传热总面积和液体的紊流水平来加强传热[2,3]，其典型性特性是凸凹波型具备双侧加强实际效果。波节管[4,5]由规律性的波浪状突起和接管组成，管中液体通过波峰焊的时候会造成垂直平分流动性角度的二次流，进而加强传热。歪曲管[6,7]是一种高效率加强换散热管，最开始是原苏联专家学者于20个世纪80时代提到的，歪曲管关键由圆钢管生产加工而成，根据挤扁和歪曲加工工艺产生DNA型螺旋式构造，其截面为扁圆形或是椭圆形。做为一种双侧加强管，它可以使液体沿螺旋式边界层竖向流动性的与此同时，产生繁杂的以转动和规律性附面层分离出来为主要特点的强振荡传热方式，朱冬生[8]和杨留[9]等各自就歪曲管的管中流动性热传导和损耗特点进行科学研究，发觉扭距减少和扁度扩大能加强歪曲管的传热。董新宇[10]对将新式钛金属歪曲管使用于高粘度液体对流换热中，发觉歪曲管在层.流和过渡流的传热实际效果好于螺旋式槽管和日光灯管。
现阶段针对加强换散热器的科学研究多集中化在管中流动性，有关以上三种换散热管对管内液体的加强传热特性难得少有科学研究，文中将对金属波纹管、波节管、歪曲管在不一样流阻下的表层传热指数开展研究较为，主要从速率工作压力场协作性、热交换器综合考核因素、速率温度场协作角层面对三种管形进行科学研究，较为换散热管针对管流失场的干扰和传热加强实际效果，为工业运用带来一定的制定根据。
1、测算实体模型以及认证
1.1测算实体模型及几何图形主要参数
液体在管内流动性与传热的操纵方程式的偏微分方式为：
在加强传热层面Guo等[11]觉得对流换热的抗压强度不仅在于温度差和速率尺寸，还跟速率矢量素材U与温度场方位T的交角θ相关，该交角被称作协作角。协同角用以表现速率场和温度场的协作水平，二者的交角越贴近90度说明传热实际效果越差，即协作角越低越有益于传热。原文中的协作角θm选用均值的计算方式，实际公式计算如下所示：
文中测算实体模型有三种，分别是波节管、歪曲管、金属波纹管，实际实体模型如下图1所显示。
在其中换散热管当量直径约为12mm，壁厚0.7mm，壁厚材料不锈钢板，实体模型规格如表1所显示。
采用歪曲管开展网格图自觉性认证，結果如表2所显示，液体为烟尘选用395.15K天然气燃烧烟尘的各类成份开展线性拟合，换散热管为恒壁温333K，烟尘流动速度2m/s，充分考虑汽体在该溫度转变区段内物理性能主要参数转变不大，因而选用常物理性能标准开展测算。
表2网格图自觉性认证
从表2可看得出网格图数为38.9与55.7万时出入口过剩空气系数相距还不到1%，充分考虑测算的合理性，挑选歪曲管的测算网格图数约39万，一样的较为以后区划的波节管与金属波纹管网格图各自为47万和77万。
因为网格图过大，选择核心截面的网格图展现如下图2。金属波纹管、波节管、歪曲管均为结构型网格图，近边界层网格图已开展适度数据加密。科学研究侧重点为换散热管的流失场，因而网格划分的范围为管内河段，周边四面为规律性界限，仿真模拟管教中的势流。充分考虑管内Re数转变范畴从几百元到好几千，而且流动性中有部分漩流的状况，选择能满足多种多样Re数的Realizablek-ε实体模型做为湍流模型，动能方程式收敛性标准设置为低于10-6，别的主要参数收敛性标准设置为低于10-4。
1.2试验认证
为了更好地认证数值计算方法的稳定性，依照文中的通道初始条件和同样技术参数的金属波纹管设计方案了波纹管换热器如下图3所显示，放置天然气壁挂炉中完成检测。试验精确测量热交换器的进出口贸易过剩空气系数、传热输出功率而且与数值计算方法結果完成比照，結果如表3所显示。
更改通道过剩空气系数开展反复精确测量，不一样通道过剩空气系数各自开展5次精确测量取均值。随后依据检测結果设定通道初始条件。精确测量时烟尘过剩空气系数1.92，含湿量小于60℃，在这个标准下试验可觉得无凝结水进行析出，仿真模拟认证也仅考虑到气相色谱与固态边界层的稳定传热。从表3中可看得出针对波纹管换热器的试验精确测量值和数值计算方法結果较大相对偏差σ为2.35%。数值与试验精确测量数据误差存有一定的随机性，但可以看得出Fluent中Realizablek-e实体模型在现实项目使用中有着非常的精确性。
2、結果剖析
2.1热传导与损耗剖析
融合三个模式的有限元分析結果，得到沿程总损耗△P随Re数的变化趋势，如下图3所显示：
图4中Re变化范畴为569~7662，可看得出三种管形总损耗均伴随着Re扩大而展现指数式增长，在其中金属波纹管的增长幅度较大，歪曲管增长幅度最少、波节管增长幅度垂直居中。金属波纹管管内Re数做到7399时总损耗做到317.3Pa，歪曲管Re数为7622时总损耗为62.5Pa，波节管Re数为7550时总压降为110Pa，金属波纹管总损耗远远高于波节管及歪曲管。
为进一步揭露三种换散热管在同样Re数下的为何金属波纹管总损耗远远高于波节管和歪曲管，图5各自展现了波节管、金属波纹管和歪曲管Re数约为7000的速率场，图上表明的部位为换散热管的核心纵横截面，因为几何图形构造的规律性反复，中下游势流和温度场与前面大部分类似，为了更好地充足展现关键点仅给进出口周边的1到2个期限的物理化学场天气图。
图5-(a)波节管表层波峰焊边缘发生较大流动速度和最少负压，较为其速率方向导数和渗透压力方位可以发觉二者在波峰焊外缘和波峰焊上方的符合性不错，在波峰焊反面的符合性较弱，而图5-(b)中金属波纹管的速率方向导数和渗透压力方位几乎不尽相同，依据三场协同理论剖析，速率工作压力场协作性越差，加强传热成本越大[11]，金属波纹管竖向流动性时损耗大的首要因素是金属波纹管凸凹表层会造成聚集停留区，该地区造成的聚集涡旋，造成剪截滑动摩擦力大幅度提高，这与图4表明的金属波纹管总损耗远超歪曲管和波节管相符合。图5-(c)中歪曲管的速率方向导数和渗透压力方位符合性不错，而且这里横截面速率梯度方向并不可以表明歪曲管内真真正正的速度方向，真正的速度方向是歪斜越过横截面，在三维图中歪曲管内速率场和工作压力场的协作性是三种换散热管中最佳的。
图6为保护膜导热系数随Re的变化趋势，图上三条曲线图的趋势分析一致，Re数的扩大会使热传导特性加强。金属波纹管在同样流阻下的传热指数最少，Re<4500时歪曲管传热指数较大，Re>4500时波节管传热指数较大，比歪曲管高5.9%。波节管表层具备规律性波峰焊，这类构造可以造成较强部分振荡和阻拦附面层的变厚，而且在管教间产生放缩安全通道，加强传热的与此同时调节速率场与工作压力场的协作性，如下图5-(a)所显示在波峰焊处速率工作压力场协作性最好是。歪曲管的加强传热特点关键反映在周期性地在三维空间更改流动性方位造成附面层分离出来，针对低Re数流动性加强实际效果更显著，而且三场协作性好，可以完成低阻加强传热。
图7为综合考核因素ε（ε=K/?P）随Re的变化趋势，K/?P可用以表现传热加强实际效果与耗费水下混凝土功的耗能比。数据显示在500<Re<8000的范畴三种管综合考核因素η伴随着Re扩大而减少，呈指数值降低随后趋向轻缓。在其中金属波纹管的综合考核因素ε最少，在低Re数时远小于波节管与歪曲管，扭曲管的综合考核因素ε较大，代表着应用歪曲管可以在更小的成本下得到很大的导热系数提高，对损耗比较敏感的热交换器中选用歪曲管会是更佳的挑选。
2.2场协作剖析
依据公式计算2.4从仿真模拟結果中测算出液体域的速率温度场均值场协作角（下称协作角），結果如下图8所显示。波节管的均值场协作角在Re<1500的情况下展现增长的趋势，Re>1500慢慢越来越轻缓。金属波纹管协作角随Re数扩大而降低，如下图5-(b)所显示速率方向导数偏向流动性方位，因而随流动速度扩大，波峰焊和波谷处的二次流对流行速度方向的危害逐步减少，场协作角扩大；
歪曲管的协作角低于波节管与金属波纹管，伴随着Re数的提高而逐步升高，由于歪曲管的液体室内空间是规律性转动的，液体顺着管表面流动性的时候会碰到螺旋状的壁厚而造成偏移流行方位的二次流，歪曲管造成的二次流抗压强度要超过金属波纹管和波节管，伴随着Re数扩大二次流抗压强度渐渐提高，协作角轻度减少；波节管的协作角趋势分析与歪曲管相近，可是降低得更显著，说明伴随着Re的扩大波节管的热附面层与速率附面层的歪曲水平越高，即协作角由原先的贴近90?进一步降低。
3、结果
融合以上热传导与损耗、速率工作压力场协作性、速率温度场协作角剖析得到下列结果。
（1）歪曲管在三种加强管内综合考核因素ε远高于金属波纹管，波节管垂直居中；
（2）Re<4500时歪曲管传热指数较大与此同时损耗最少，热交换器壳程Re在这个区域内最佳换散热管为歪曲管，4500<Re<8000时波节管传热指数超过歪曲管，传热指数较大提升5.9%，损耗扩大75.8%，金属波纹管的竖向冲洗的损耗扩大水平远超传热加强实际效果；
（3）热交换器的壳程损耗与速率工作压力场协作性相关。歪曲管最好是，波节管其次，金属波纹管最烂。
（4）金属波纹管的速率温度场协作角随Re扩大而增大，由于二次流对流行速率危害并不随流动速度扩大而增大。
标记表明：
Η黏度，
G重力加速度，
Η运动粘度
F企业品质力
u、v分别是速率在x、y方位的份量
Q能量项
论文参考文献
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