换热管内置螺旋弹簧对传热性能影响的研究*

徐建民 周 莹 胡小霞 胡奇峰 邹 宇

（武汉工程大学化工装备强化与本质安全湖北省重点实验室)

换热管内置螺旋弹簧对传热性能影响的研究*

徐建民**周 莹 胡小霞 胡奇峰 邹 宇

（武汉工程大学化工装备强化与本质安全湖北省重点实验室)

通过粒子成像测速（PIV）技术，研究了内置螺旋弹簧对换热管传热性能的影响，并分析了螺旋弹簧节距、丝径以及中径对管内流场的影响。结果表明，内置弹簧管的强化传热系数明显高于光管，传热效果随弹簧节距、丝径的增大而增大，随中径的减小而增大。通过实验，确定了增强湍流程度的最佳方式。

内置弹簧管 强化传热 数值模拟 PIV实验 换热器 湍流 漩涡

0 序言

当今工业技术发展迅速，各领域对工业设备都强调经济性与节能性，换热器作为应用非常广泛的通用工艺设备，其强化要求更为苛刻[1－3]。换热器的强化传热技术，包括主动强化传热技术和被动强化传热技术，一直是节能技术领域的重要课题[4－5]。主动强化指外加额外动力实现强化，被动强化指通过表面处理、扰流装置、涡旋流装置等实现强化，不需要额外动力。其中涡旋流装置应用广泛，以螺旋线圈为主的强化手段因其制造简单、成本低廉、适用于旧设备改造等优点而受到重视[6－8]。

目前国内外已开展对内置螺旋弹簧强化传热特性及除污除垢特性的研究[9－12]，但对于弹簧附近流场、弹簧振动以及传热机理尚不明晰。因此，亟待深入展开对内置螺旋弹簧换热管流体流场和传热机理的研究。

本文采用粒子成像测速（PIV）技术对内置螺旋弹簧换热管的传热进行了系统的研究[13－19]，比较了管内有螺旋弹簧和无螺旋弹簧时的流场，以研究不同螺旋参数时的流场特性及其对强化传热的影响。

1 实验系统与方法

1.1 实验系统

实验装置由实验管道和供水循环系统两部分组成，如图1所示。

图1 圆管内插入螺旋弹簧实验装置

（1）实验管道

实验管道材质为透明亚克力，其具有较好的透明性、化学稳定性和耐候性，利于PIV实验。选取的管道模型长为960 mm、内径为20 mm。

（2）供水循环系统

供水循环系统由储水池、自吸泵、球阀及连接管路组成。实验过程中，保持管道内为全封闭状态。实验所用的储水池是容积为30 L的长方体铁盒。此外，在实验管道出口安装球阀，并可以通过控制其开度来调节流速。泵进入工作状态后，即可保持水在系统管路内循环。

1.2 实验方法

图2所示为圆管内置螺旋弹簧的结构。实验采用的几种螺旋弹簧的参数如表1所示。

图2 圆管内置螺旋弹簧结构

实验研究了在相同雷诺数条件下，弹簧结构参数对换热管流场的影响。为了提高实验的准确性，在实验系统达到平衡状态后开始测量。实验示踪粒子采用直径为20 nm的玻璃珠，其流场跟随性高、光散射性好且颗粒均匀，成像效果很好。

表1 弹簧管号及弹簧几何尺寸 (单位：mm)

2 参数定义

（1）雷诺数Re

式中de——内插自振弹簧换热管的当量直径，m;并且 de＝di；μH2O——水的黏度，Pa·s。

查资料可知，μH2O=1.004×10-3Pa·s。

（2）入口速度

式中qv——流体的体积流量，m3/s；

v——流体的入口速度，m/s；

A——管入口截面积，m2。

（3）涡量 Ωxy

对于涡量Ωxy（s-1）有如下定义式：

式中ux、uy——分别代表截面内x轴、y轴方向上的速度分量，m/s。

3 结果分析

3.1 不同流体速度时的流场特性比较

实验所取的T1弹簧管在不同雷诺数时对应的入口流速如表2所示。以图3所示的T1弹簧管计算结果进行分析，其他弹簧管传热特性与之相似。

表2 入口速度

内置螺旋弹簧管内流体流过螺旋弹簧时，其原有的流道被阻挡，在壁面区域会形成漩涡。这不仅破坏了管内流体的结构，而且在弹簧和壁面之间产生扰流，有利于破坏边界层。由图3可知，当流速增大时，漩涡迅速增大，并且分离前移，促进了管壁流体的湍流流动。

图3 流速不同时管内纵截面涡量图（T1螺旋弹簧管）

3.2 不同节距时的流场特性比较

图4（a）、图4(b)、图4(c)分别是节距为5、9、12 mm的弹簧管实验图。对比可知，随着节距的增大，管内中心区域漩涡慢慢增多且强度较大，然后不断脱离。

图4 螺旋弹簧节距不同时管内纵截面涡量图（Re=6522）

3.3 不同丝径时的流场特性比较

图5（a）、图 5(b)、图 5(c)分别是丝径为0.6、1、1.5 mm的弹簧管实验图。对比可见，随着丝径的增大，漩涡的产生增多且漩涡的强度也随之增大。丝径较大的弹簧对流体的扰流作用更强，流体湍流强度也更大。

图5 螺旋弹簧丝径不同时管内纵截面涡量图（Re=6522）

3.4 不同中径时的流场特性比较

图6（a）、图 6(b)、图 6(c)分别是中径为17、18、19 mm的弹簧管实验图。对比可见，随着弹簧中径的增大，壁面区域漩涡的产生减少，中径较小的弹簧其扰流作用更为明显。

图6 螺旋弹簧中径不同时管内纵截面涡量图（Re=6522）

4 结论

通过对各组强化传热实验的分析，可以明确内置螺旋弹簧对传热性能的影响：

（1）螺旋弹簧对换热管内流体起到了明显的扰流作用，流体绕过螺旋弹簧时受到阻碍和导向，从而产生漩涡，并加快了流体流速；而螺旋流动状态使湍流强度加强，充分扰动了边界层，增强了传热效果。

（2）螺旋弹簧的节距、丝径对管内流动状态影响较大。节距越大，管内流体阻力就越小，流速就越大，同时产生的漩涡强度就越大。螺旋弹簧丝径越大，扰流作用就越强，同时产生的漩涡强度也越大。即丝径增大后，湍流强度增大，从而加快了中心流体与边界层流体的对流，但丝径的增大意味着管内流体阻力迅速上升。螺旋弹簧中径较小时，弹簧震动的空间较大，产生的阻力较小，对流体扰流作用较明显。

（3）综合考虑扰流强度和边界层状况，得出节距大、丝径粗和中径小的螺旋弹簧对流体具有更为强烈的扰流作用，产生的涡量强度也较大。

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Study on Heat Transfer Performance of the Built-in Spiral Spring Heat Exchange Tube

Xu Jianmin Zhou Ying Hu Xiaoxia Hu Qifeng Zou Yu

The effect of built-in spiral spring on heat transfer performance of heat transfer tube is studied by means of particle image velocimetry (PIV).The influence of the intercept,the wire diameter and the middle diameter of the spiral spring on the flow field in the heat transfer tube is analyzed.The results show that the enhanced heat transfer coefficient of the tube with built-in spiral spring is higher than that of the light tube.The effect of heat transfer increases with the increase of the intercept and the diameter of the spring,and increases with the decrease of the middle diameter.The best way to enhance the turbulence level is determined by experiments.

Built-in spring tube;Heat transfer enhancement;Numerical simulation;PIV experiment;Heat exchanger;Turbulence;Vortex

TQ 051.5

10.16759/j.cnki.issn.1007-7251.2017.06.005

2016-10-15）

列管式换热器流体诱导振动强化传热机理研究（50976080）。

**徐建民，男，1965年生，硕士，教授。武汉市，430205。