第7卷第2期2008年6月热科学与技术JournalofThermalScienceandTechnologyVol.7No.2Jun.2008文章编号:1671�8097(2008)02�0115�05螺旋管紧凑式换热器传热性能分析孔�戴,�彭晓峰,�杨�震(清华大学热能工程系相变与界面传递现象实验室,北京�100084)摘要:数值模拟研究了紧凑式小管螺旋管换热器的流动换热特性。螺旋管换热器由35个单管(直管和弯管)构成,管外为空气冷却,管内流过不同温度的液体工质R141B。模拟结果表明,各单根螺旋管内外对流传热系数、温度分布和传热性能,主要受内外流体温度梯度、回流条件、外部空气流速和单根管的传热表面积等因素的影响。关键词:换热器;螺旋管;管排布;强化传热中图分类号:TK124文献标识码:A收稿日期:2007�11�20;�修回日期:2008�04�30.基金项目:国家高技术发展计划(�863�计划)资助项目(2007AA05Z200).作者简介:孔�戴(1972�),男,几内亚人,博士生,主要从事保温材料与性能、高效换热器技术等研究.0�引�言螺旋管结构具有高传热性能,以此发展出的紧凑式换热器,尤其冷凝器和蒸发器在食品、医药、电力、化工等行业有广泛的应用。由于弯曲段离心势所诱发的二次流,螺旋管可以强化传热。文献[1�6]中已有一些关于螺旋管流动传热的数值模拟和实验研究。Moawed[1]实验研究了纵向和横向螺旋管的自然对流传热性能,发现平均传热系数随管间距与管径的比、螺旋半径与管径的比以及管长与管径的比的增加而增加。Huttl等和Friedrich等[2�3]采用直接数值模拟法(DNS)研究了经过环形和螺旋管道的充分发展流,显示了湍流结构的瞬时速度场。发现管道曲率诱发二次流并对流量和湍度具有很强烈的影响,而扭转效应弱于曲率效应。Dong等[4]模拟了螺旋管内的层流(Re=1000)和湍流(Re=2�5�104),并获得相应的摩擦系数和Nusselt系数。这些数值与实验研究主要分析了螺旋管管道的曲率和扭转特点。本文主要模拟紧凑型螺旋管换热器的流动换热特性,螺旋管换热器由直管和弯管构成,管内流过气体工质R141B,管外为空气流。运用FluentV6和层流模型,研究了不同温度和流动条件下的螺旋管对流传热。1�模拟方法螺旋铜管换热器结构见图1,其中rb1、rb2、rb3与rb4分别为弯管段,而rs1、rs2、rs3与rs4分别为直管段。管内径d=1mm,管间距y=2d,换热器为7mm�10mm�11mm,正中置于大空间(即计算域为200mm�200mm�200mm)空气中进行内外流体的对流传热。和整个域相比,换热器尺度很小,对空气流动的模拟不会受到流场边界的影响。直管段与弯管段的总表面积分别为�As=2Ae+16As+2Ac=2(14�13)+16(11�42)+2(6�34)=223�64mm2�Ab=6Abo+8Abi+Abc=6(29�62)+8(9�96)+9�96=267�37mm2(1)式中:下标b、bc、bi、bo、e与s分别表示弯管、连接内外螺旋管的弯管、内层弯管、外层弯管、进出口段的直管和内外层直管。图1所示螺旋管换热器的总传热面积为At=As+Ab=491mm2。在笛卡尔坐标系下,外层空气流动和传热控制方程分别为连续性方程:图1�螺旋管结构Fig.1�Geometricconfiguration��x(�u)+��y(�v)+��z(�w)=0(2)动量方程:��x�uu-��u�x+��y�uv-��u�y+����z�uw-��u�z=-�p�x+��x��u�x+����y��v�x+��z��w�x(3)��x�uv-��v�x+��y�vv-��v�y+����z�vw-��v�z=-�p�y+��x��u�y+����y��v�y+��z��w�y(4)��x�uw-��w�x+��y�vw-��w�y+����z�ww-��w�z=-�p�z+��x��u�z+����y��v�z+��z��w�z(5)能量方程:����x�uh-��h�x+��y�vh-��h�y+������z�wh-��h�z=0(6)式中,�=�Pr。同样,管内流动的控制方程分别为连续性方程:��xiui=0(7)动量方程[4�7]:��xj��ui�xj+�uj�xi-�ij23�uk�xk-�ujui-�ijp=0(8)能量方程:��xj��T�xj-�ujcpT+��v=0(9)式中:�v=�ui�xj�ui�xj+�uj�xi-23�uk�xk�ij;�为黏性系数,kg/(m�s);�为密度,kg/m3;�ij为Delta函数;p为压力,Pa;�为导热系数,W/(m�k);�为曲率;cp为比定压热容,kJ/(kg�K)。采用商用软件FluentV6模拟螺旋管内外的强迫流动传热。管内流动工质为R141B,管内流速v=0�1m/s,相应的Re为4�97�10-5,进口温度T=3...
