摘要：采用实验方法对螺旋管换热器对流传热系数进行了测定，利用Fluent软件对螺旋管周围温度场进行了数值模拟。在实验条件下，水-水螺旋管传热系数的范围为：自然对流情况下350～550W/(m2·K)、强制对流(搅拌)情况下400～730W/(m2·K)。Fluent软件模型能基本反映温度场的实际情况，模拟结果与实验结果基本吻合。
关键词：螺旋管；传热系数；温度场；Fluent软件；模拟
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
螺旋管换热器具有结构简单、传热系数高等优点，其优越的结构特性和高效的换热效率，使其在热力、化工、石油及核工业等领域得到了广泛应用。其弹簧状结构避免了因温度的变化而引起温差应力，但也带来了计算和设计上的复杂。在工程应用中，由于工艺要求，往往需将流体加热至规定的温度范围，传热是其中的基本单元操作。螺旋管换热器的传热过程为流体流过固体表面发生对流、导热传热联合作用的传热过程[1～3]，有必要对螺旋管的传热系数进行研究。本文通过实验和模拟手段对水-水螺旋管换热器的传热系数进行实验计算，对其周围温度场进行数值模拟。
1 传热系数的理论计算
换热器稳态传热的基本方程为[4～6]：
Ф=KA△tm
式中Ф——热流量，W
K——传热系数，W/(m2·K)
A——换热器的换热面积，m2
△tm——换热器的对数平均温差，℃
螺旋管换热器传热系数的计算式为：
式中ho——螺旋管外侧表面传热系数，W/(m2·K)
hi——螺旋管内侧表面传热系数，W/(m2·K)
Ao——螺旋管外表面积，m2
Ai——螺旋管内表面积，m2
Ro——螺旋管外侧污垢热阻，(m2·K)/W
Ri——螺旋管内侧污垢热阻，(m2·K)/W
δ——螺旋管壁厚，m
λ——螺旋管壁热导率，W/(m·K)
Am——螺旋管平均传热面积，m2
通常可根据经验公式计算ho、hi，但适用于螺旋管的经验公式不多，且具有较大的不准确度。
2 实验部分
2.1 实验装置
采用螺旋管对水池内的水进行加热，螺旋管中间装有搅拌器，可模拟强制对流。圆柱形水池容积为2m3，高度为1.5m，外壁采用50mm厚XPS(挤塑聚苯乙烯)板进行绝热。螺旋管换热器相关尺寸：螺旋管管外径为20mm，螺旋圈中心直径为300mm、螺旋管管圈数为14.5，螺旋管总长度为14.13m，螺旋管采用不锈钢制作，壁厚为2mm。
为精确测定池内温度分布情况，池内共布置9支铜康铜热电偶。分3层每层3支均匀布置，分别位于距顶部600、900、1200mm处，每层3支热电偶分别距水池壁面150、250、400mm。螺旋管进出口各设置一只热电偶，在进口安装涡轮流量计对螺旋管内水流量进行计量。温度、流量采用组态软件进行监控，可以进行实时显示和储存。
2.2 计算设定及原理
根据实际情况对计算进行简化：水池壁面认为绝热；传热沿螺旋管长度方向不断进行，并随着换热时间的加长传热系数不断变化，传热系数是一个空间上和时间上瞬时变化的物理量，传热系数的评价基于换热效果的整体评价，是在计算时间点上换热区域内的平均值；计算过程中认为水池内温度均匀分布，水温为池内设置热电偶的平均值；采用钢质螺旋管，且螺旋管为新制造，可忽略污垢热阻影响。
螺旋管放热量多，的计算式为：
Фr=cpqm(t1-t2) (3)
式中Фr——螺旋管放热量，W
cp——水的比定压热容，J/(kg·K)
qm——螺旋管内热水的质量流量，kg/s
t1、t2——螺旋管热水进、出口温度，℃
根据能量守恒原理，式(1)与式(3)相等，联立可求得螺旋管的传热系数。
2.3 实验数据及传热系数的计算
螺旋管内热水流速为0.51m/s，进口温度保持在46℃。根据设定参数在实验室进行了相关实验，并计算传热系数。2008年7月9日的第2次实验采用强制对流传热，搅拌器的转速为100min-1，其他实验为自然对流传热。实验数据见表1。
表1 实验数据
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实验日期
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换热时间
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螺旋管出口水温/℃
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水池温度/℃
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2008年6月20日
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13:38—14:36
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34.1～38.3
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24.4～28.9
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2008年7月1日
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12:47—14:44
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31.9～38.1
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21.6～29.1
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2008年7月9日
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11:21—12:17
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32.5～39.7
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28.7～32.1
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2008年7月9日
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14:30—15:27
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32.8～39.5
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28.5～32.1
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螺旋管传热系数随时间的变化见图1～2。
由实验数据可知，在设定实验条件下，水-水螺旋管传热系数的范围为：自然对流情况下350～550W/(m2·K)，强制对流(搅拌)情况下400～730W/ (m2·K)。由实验数据分析可知，随着加热的进行，螺旋管内外换热温差逐步减小，传热系数逐步降低。搅拌能增强换热效果。自然对流情况下，水池内温度分层现象严重，在未搅拌的情况下，加热1h后，距水池顶部600mm与距顶部1200mm的平均水温相差8℃左右，随着搅拌的加强，温度分层现象得到缓解。
3 温度场数值模拟
① Fluent软件简介
Fluent软件是目前功能全面、适用性较强、国内使用广泛的CFD软件之一。可用于模拟从不可压缩到高度可压缩范围内的复杂流体流动，灵活的非结构化网格和基于解的自适应网格技术及成熟的物理模型，使Fluent软件在层流、湍流、传热、相变、化学反应、多相流、旋转机械、动变形网格、噪声、材料加工、燃料电池等方面得到广泛应用[7]。
② 模型的建立
根据自然对流实验条件进行模型建立和网格划分，由于螺旋管结构的特殊性，给建模带来一定困难，计算量也很大。针对特殊情况，采用三维画图软件进行模型建立，导入GAMBIT进行网格划分，在网格划分过程中，采用局部加密和设置旋转区域的方法最终实现计算[8、9]。
③ 模拟结果及分析
螺旋管内水流随着流动方向温度逐步降低，进出口具有12℃左右温差。水池内水温随着加热的进行逐步升高，竖直截面上温度分布具有明显的分层现象，底部温度较低，顶部温度较高。在螺旋管未达到的深度，水温几乎没有变化。在同一截面上，随着与螺旋管距离的增大水温略有降低，但差别不明显，约1℃。距水池顶部600、900、1200mm截面平均温度的模拟结果与实验结果对比见表2。计算模型得到的温度分布结果与实验基本吻合，可利用软件模拟计算对实验过程进行简化，进一步分析水池内温度分布情况和加热效果。
表2 水池不同截面平均温度的模拟与实验结果对比
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距水池顶部距离/mm
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600
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900
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1200
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模拟结果/℃
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26.14
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26.24
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21.32
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实验结果/℃
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26.42
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25.52
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21.26
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4 结论
① 在实验条件下，水-水螺旋管传热系数的范围为：自然对流情况下350～550W/(m2·K)，强制对流(搅拌)情况下400～730W/(m2·K)。传热系数随着管内外传热温差的减少而减小，随着搅拌的加强而增大。
② 由传热系数计算式可知，传热系数与换热器面积、换热温差、管内外流体的流动情况等多种因素有关，实验数据也充分说明了这一点。目前，尚没有精确计算螺旋管传热系数的计算公式，需进一步进行研究。
③ 建立的Fluent软件模型能反映温度场的实际情况，温度分布的模拟结果与实验基本吻合。这种数值模拟和物理实验相结合的方法可以为实验提供帮助和指导，应进行进一步研究。
参考文献：
[1] 朱建国，仇性启.螺旋管技术研究[J].工业加热，2004，(1)：13-17.
[2] 李隆键，辛明道，崔文智.三维内肋螺旋管内强化换热实验[J].热能动力工程，2004，(3)：270-273.
[3] 杨伟.正交椭圆螺旋盘管换热器的总传热系数[J].黑龙江科技学院学报，2005，(5)：288-290.
[4] 朱聘冠.换热器原理及计算[M].北京：清华大学出版社，1987.
[5] 化学工程手册编辑委员会.化学工程手册[M].北京：化学工业出版社，1989.
[6] 程尚模.传热学[M].北京：高等教育出版社，1990.
[7] 王福军.计算流体动力学分析—CFD软件原理与应用[M].北京：清华大学出版社，2004.
[8] JAYAKUMAR J S，MAHAJANI S M，Manadal J C，et al. Experimental and CFD estimation of heat transfer in helically coiled heat exchangers[J].Chemical Engineering Research and Design，2008，(3)：221-232.
[9] KUMAR V，FAIZEE B，MRIDHA M，et al. Numerical studies of a tube-in-tube helically coiled heat exchanger[J].Chemical Engineering and Processing，2008.(12)：2287-2295.
(本文作者：陈志光 秦朝葵 戴万能 同济大学 机械工程学院 上海 201804)
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