螺旋管紧凑式换热器传热性能分析.pdf

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第 7 卷第 2 期热科学与技术 Vol. 7 No. 2
2008 年 6 月 Journal of Thermal Science and Technology J un. 2008
文章编号: 1671 8097 (2008) 02 0115 05
2 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2空气2 冷却,管内流过不同2 温2 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
2 ,
的影响。
关键词: 换热器;螺旋管;管排布;强化传热
中图分类号: T K124 文献标识码: A
螺旋管对流传热。
0 引言
螺旋管结构具有高传热性能,以此发展出的 1 模拟方法
紧凑式换热器, 尤其冷凝器和蒸发器在食品、医螺旋铜管换热器结构见图 1 , 其中 rb1 、rb2 、
药、电力、化工等行业有广泛的应用。由于弯曲段 rb3 与 rb4 分别为弯管段,而 rs1 、rs2 、rs3 与 rs4 分
离心势所诱发的二次流,螺旋管可以强化传热。别为直管段。管内径 d = 1 mm ,管间距 y = 2 d ,
文献[1 6] 中已有一些关于螺旋管流动传热的换热器为 7 mm × 10 mm × 11 mm ,正中置于大空
数值模拟和实验研究。Moawed [1 ] 实验研究了纵向间(即计算域为 200 mm × 200 mm × 200 mm) 空
和横向螺旋管的自然对流传热性能,发现平均传热气中进行内外流体的对流传热。和整个域相比,换
系数随管间距与管径的比、螺旋半径与管径的比以热器尺度很小,对空气流动的模拟不会受到流场
及管长与管径的比的增加而增加。Huttl 等和边界的影响。
Friedrich等[2 3 ] 采用直接数值模拟法(DNS) 研究了直管段与弯管段的总表面积分别为
经过环形和螺旋管道的充分发展流,显示了湍流结 A s = 2 A e + 16 A s + 2 A c = 2 (14 13) +
构的瞬时速度场。发现管道曲率诱发二次流并对流 16 (11 42) + 2 (6 34) = 223 64 mm2
量和湍度具有很强烈的影响,而扭转效应弱于曲率 A b = 6 A bo + 8 A bi + A bc = 6 (29 62) +
效应。Dong 等[4 ] 模拟了螺旋管内的层流( Re = 8 (9 96) + 9 96 = 267 37 mm2 (1)
1 000) 和湍流( Re = 2 5 × 104 ) ,并获得相应的摩擦式中:下标 b 、bc 、bi 、bo 、e 与 s 分别表示弯管、连接
系数和 Nusselt 系数。这些数值与实验研究主要分内外螺旋管的弯管、内层弯管、外层弯管、进出口
析了螺旋管管道的曲率和扭转特点。段的直管和内外