球凸内翅片管强化传热特性研究

尚永强　范宗良　杨勇　王东亮　李贵贤

摘 要 在光滑内翅片管的基础上，结合凹凸板式换热器提出一种新型球凸内翅片管。比较球凸内翅片管、球窝内翅片管和光滑内翅片管的换热性能与流动阻力可知：球凸内翅片管的换热性能与流动阻力最大；通过比较不同排数球凸内翅片管和球凸内翅片管不同排列方式的换热特性与流动阻力可知，三排球凸内翅片管的努塞尔数Nu和阻力系数f最大，二排对排球凸内翅片管的综合换热性能指标ftef最优；比较不同翅片数球凸内翅片管的换热性能与流动阻力，得出8个翅片球凸内翅片管的综合换热性能指标ftef最优；并应用湍动能云图分析不同翅片球凸内翅片管的强化传热机理。

关键词 管式换热器 球凸内翅片管 强化传热 排列方式 传热特性

中图分类号 TQ051.5   文献标识碼 A   文章编号 0254?6094（2023）02?0179?09

管式换热器是化工、石油及冶金等工业领域中应用广泛的一类换热设备，是流程工业开展节能减排过程的重要环节，因此对管式换热器进行强化传热受到人们的持续关注。针对管程的传热强化主要方法之一是在换热管内加装翅片。PANDEY L和SINGH S对带有三角形穿孔的内翅片管的传热性能与摩擦系数进行数值模拟，流体介质为空气，雷诺数Re范围为3 000～21 000，穿孔指数为0%～30%，结果表明：较高的穿孔指数和较低的摩擦系数均可以提高内翅片管的换热性能，带孔内翅片管的换热性能是不带孔内翅片管的5.8倍［1］。刘逸等对翅片管换热器的传热与流阻进行数值模拟，进口速度、翅片厚度和开缝数目对翅片管换热器具有一定的影响，研究表明：进口速度为3 m/s，翅片厚度为0.16 m，开缝数目为6的翅片管换热器综合换热性能最优［2］。段鸾芳等对内翅片管的传热与流动性能进行了数值模拟，结果表明，随着翅片数的增加，管内速度场和温度场分布趋于均匀，翅片数为4的内翅片管传热系数最高，摩擦系数小于翅片数为3的内翅片管［3］。WANG Q W等对3种内翅片管的综合换热性能进行了数值模拟，在相同质量流量和压力条件下，比较了3种内翅片管（S型、V型和Z型）的综合换热性能，结果发现，Z型内翅片管的综合换热性能最好，其次是S型内翅片管，V型内翅片管的综合换热性能最差［4］。范宗良等对带孔和不带孔的扁平内翅片管的流动阻力和传热特性进行了实验研究，并对相同质量流量和相同压降内翅片管的综合传热性能进行了评价，得知，与无孔内翅片管相比，带孔内翅片管的综合换热性能有了显著提高，同时流动阻力也在增加，开孔率在2.2%左右时，带孔内翅片管的综合换热性能优于无孔内翅片管［5］。张娟等在湍流状态下对凸胞内翅片管的传热性能与流动阻力进行了数值模拟，研究表明：二排凸胞内翅片管的综合换热性能指标最优，优化结构与初始结构相比，换热性能提高了75%，流动阻力减少了14.5%［6］。KUR UN B采用数值模拟对抛物线槽式太阳能集热器纵向平直和纵向正弦波状内翅片管进行了对比研究，结果显示纵向正弦波状内翅片管的传热强化性能更为明显［7］。KOTCIOGLU I等研究了凹凸内翅片管的换热特性和耗散能，研究了努塞尔数和耗散能在不同雷诺数下随时间的变化曲线，并分析了凹凸内翅片管随冷热流体进出口温度变化的特性，结果表明：随着雷诺数的增加，耗散能随时间的变化规律增大，在此基础上，还提出了相应的关联式来预测凹凸内翅片管的换热性能和摩擦阻力，研究表明所设计的凹凸内翅片管具有良好的导热性能［8］。

笔者提出一种球凸内翅片结构的换热管，通过Fluent进行数值模拟，首先对不同结构内翅片管的换热性能和流动阻力进行比较，进一步对比了球凸于翅片上不同的径向排数以及球凸的不同排列方式的内翅片管的流动与换热性能。在研究的参数范围内，得到综合换热性能最优的内翅片换热管结构。

1 数值模拟与计算方法

1.1 物理模型

图1为球凸翅片管几何模型，主要优化的结构参数分别为翅片厚度t、球凸节距p和球凸半径r。球凸内翅片管结构参数为：翅片厚度t=1.5 mm、球凸半径r=2.5 mm、球凸节距p=15 mm，管外直径d=48 mm，堵芯直径d=16 mm、d=5 mm、d=10 mm、d=200 mm、d=16 mm，管外壁厚为1 mm。图2中球窝内翅片管的主要结构参数为：翅片厚度t=1.5 mm、球窝半径r=2 mm、球窝节距p=15 mm，管外直径d=48 mm，堵芯直径d=16 mm、d=5 mm、d=10 mm、d=200 mm、d=16 mm，外管壁厚为1 mm。图3为光滑内翅片管三维图。

1.2 数学模型

1.3 边界条件和计算方法

设置入口为速度入口，流体介质为空气，流速为4 m/s，其进口温度为393 K，物性参数视为常数。翅片厚度t、球凸半径r和球凸节距p发生变化时，当量直径也会发生变化。雷诺数Re维持在2 000～7 000范围内，管壁为恒温，温度为298 K。采用Realizable k?ε方程模型并结合增强壁面函数对近壁面进行处理。

1.4 网格无关性验证和模型验证

流场计算需要进行网格无关性验证，所采用的几何模型为t=0.5 mm，r=2 mm，p=15 mm，当网格数量在312×104到560×104之间时，努塞尔数Nu和阻力系数f不再发生变化，因此，确定网格数量为373×104。

为保证数值模拟结果的正确性，采用上述设置对球凸内翅片管进行了数值模拟，并将模拟结果与文献［9］中酒窝板的实验数据进行比较（图4），由图4可以看出，Nu和f的模拟值和实验值具有相同的变化趋势，其中Nu的最大相对偏差为8.17%，f的最大相对偏差为9.68%，满足验证要求。

1.5 3种内翅片管的换热性能与流动阻力对比

图5为在雷诺数（2776≤Re≤6674）范围内时，球凸内翅片管、球窝内翅片管和光滑内翅片管的努塞尔数Nu、阻力系数f和综合换热性能指标f随Re的变化曲线。

由图5a可知，3种内翅片管的努塞尔数Nu均随Re的增大而增大，球凸内翅片管的增长趋势最大。当Re为定值时，球凸内翅片管的努塞尔数Nu最大，其次是球窝内翅片管，光滑内翅片管的努塞尔数Nu最小，说明球凸内翅片管的换热性能最好，因为流体在经过球凸时会产生二次流，增强了流体的扰动，减少了热阻，提高了换热性能。

由图5b可知，3种内翅片管的阻力系数f均随Re的增大而减小，说明随着流速的增大，翅片表面对流体的流动阻力越小。当Re<3879时，阻力系数减小的幅度较大，当Re为定值时，球凸内翅片管的阻力系数f最大，原因是球凸内翅片管的翅片壁面对流体产生了扰流，形成明显的扰流，对流体的流动造成阻碍作用，使得换热管阻力损失增大。

由图5c可知，3种内翅片管的综合换热性能指标f均随Re的增大而增大，球凸内翅片管的增长趋势逐渐增大，增长平均值为58.2%，当Re为定值时，球凸内翅片管的综合换热性能指标f明显大于其他两种内翅片管。综上所述，球凸内翅片管的综合换热性能最优。

2 换热特性分析

2.1 不同排数球凸内翅片管的换热性能对比

不同排数球凸内翅片管结构如图6所示，保持球凸内翅片管的结构参数不变，通过增加排数或减少排数来比较球凸内翅片管的换热性能与流动阻力。

图7表示在雷诺数（2776≤Re≤6674）范围内，不同排数球凸内翅片管的努塞尔数Nu、阻力系数f和综合换热性能指标f随Re的变化曲线。

由图7a可知，不同排数球凸内翅片管的努塞尔数Nu随Re的增大而增大。当Re为定值时，三排球凸内翅片管的努塞尔数Nu最大，说明三排球凸内翅片管的换热性能最好，随着球凸内翅片管的翅片表面上球凸数量的增多，流体在流过球凸翅片表面时会产生更多的扰流，减少了热阻边界层，提高了球凸内翅片管的换热性能。

由图7b可知，不同排数球凸内翅片管的阻力系数f随Re的增大而减小，说明随着流速的增大，下随Re的变化曲线球凸翅片表面对流体的流动阻力减小。当Re<3879时，阻力系数减小的幅度较大。当Re为定值时，三排球凸内翅片管的阻力系数f最大，原因是三排球凸内翅片管的翅片表面对流体产生更多的扰流，对流体的流动造成了巨大的阻碍作用，使得球凸内翅片管的阻力损失增大。

由图7c可知，不同排数的球凸内翅片管综合换热性能指标f随着Re的增大而增大。当Re为定值时，二排球凸内翅片管的综合换热性能指标f大于一排和三排球凸内翅片管，说明在球凸内翅片管上增加排数，可以同时提高流动阻力和换热性能。综上所述，二排球凸内翅片管的综合换热性能指标f最优。

2.2 球凸内翅片管不同排列方式换热性能对比

对排球凸内翅片管和错排球凸内翅片管的结构如图8所示，保持球凸内翅片管的结构参数不变，通过改变球凸排列方式来比较球凸内翅片管的换热性能与流动阻力。

图9表示在雷诺数（2776≤Re≤6674）范围内，对排球凸内翅片管和错排球凸内翅片管的努塞尔数Nu、阻力系数f和综合换热性能指标f随Re的变化曲线。

由图9a可知，对排与错排球凸内翅片管的平均努塞尔数Nu非常接近，两者相差2.21%。对排和错排球凸内翅片管的努塞尔数Nu随着Re的增大而增大，两者的增加趋势非常接近，说明球凸内翅片管的换热性能很大程度上受Re的影响。

由图9b可知，对排与错排球凸内翅片管阻力系数f随着Re的增大而减小，说明随着流速的增大，翅片表面对流体的流动阻力减小。当Re<3879时，阻力系数减小的幅度较大。随着Re的增加，两者的阻力系数变化趋势趋于平缓，对排球凸内翅片管减幅平均值为39.1%，错排球凸内翅片管减幅为40.2%。当Re为定值时，错排球凸内翅片管的阻力系数高于对排球凸内翅片管，原因是错排球凸内翅片管的流道不规则，导致球凸内翅片管的横截面积减小处阻力损失增大。

由图9c可知，对排与错排球凸内翅片管的综合换热性能指标f随着Re的增大而增大。当Re为定值时，对排球凸内翅片管的综合换热性能指标

f大于错排球凸内翅片管，综上所述，对排球凸内翅片管的综合换热性能优于错排球凸内翅片管。

2.3 不同翅片数对球凸内翅片管换热性能的影响

对翅片数为4、6、8、10、12个的球凸内翅片管在进口流速为3～10 m/s的条件下进行数值模拟，得到努塞尔数Nu、阻力系数f、综合换热性能指标f的变化情况如图10所示。

由图10a可知，在雷诺数（2776≤Re≤6674）范围内，当Re为定值时，随着翅片数的增加，努塞尔數Nu也在增大，因为随着翅片数的增加，翅片之间的间距变小，球凸翅片对流体的扰动更加明显，同时流体与内翅片管壁面之间的换热面积也在增加，所以球凸内翅片管的换热性能得到显著提高。当翅片数为定值时，努塞尔数Nu随着雷诺数Re的增加而增大。

由图10b可知，在雷诺数（2776≤Re≤6674）范围内，当Re为定值时，随着翅片数的增加，阻力系数f也在增大，说明随着翅片数的增加，流体的流动阻力也在增加。当翅片数为定值时，阻力系数f随着Re的增大而减小，说明流速越大，流体对翅片的阻力系数越小。

由图10c可知，在雷诺数（2776≤Re≤6674）范围内，当Re为定值时，综合换热性能指标f随Re的增加而增大，说明流速越大，综合换热性能越好，由图可知，8个翅片结构的综合换热性能最好。

2.4 强化换热机理

图11为垂直方向z=115 mm横截面处不同翅片数时的湍动能云图。图11a～e分别为4、6、8、10、12个翅片的湍动能云图，从图中可以看出，12个翅片的湍动能明显大于4个翅片的湍动能，这是因为随着翅片数的增多，翅片之间间距变小，球凸翅片对流体的扰动作用增大，扰动向中心扩散，导致球凸内翅片管的整体流速增大，湍动能强度增大，破坏了流体边界层，促进了流体的相互传热，加强了球凸内翅片管的传热效果。

3 结论

3.1 比较了球凸内翅片管、球窝内翅片管和光滑内翅片管的换热性能与流动阻力。结果表明：球凸内翅片管的流动阻力与换热性能均高于球窝内翅片管和光滑内翅片管。

3.2 比较不同排数球凸内翅片管和球凸内翅片管不同排列方式的换热性能和流动阻力，得出三排球凸内翅片管的努塞尔数Nu和阻力系数f最大，二排球凸内翅片管的综合换热性能指标f最优。二排错排球凸内翅片管的阻力系数f最大，二排对排球凸内翅片管的综合换热性能指标f最优。

3.3 对不同翅片数球凸内翅片管的换热性能和流动阻力进行比较，发现8个翅片的球凸内翅片管综合换热性能指标f最优。

3.4 应用湍动能云图研究不同翅片数球凸内翅片管的强化传热机理。结果表明：随着翅片数的增多，翅片间距减小，湍动能强度增大，球凸内翅片管的换热性能和流动阻力都在同时增大。

参 考 文 献

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［2］ 刘逸，陈培强，陈鑫，等.组合式翅片管换热器传热与阻力性能影响因素研究［J］.节能技术，2021，39（6）：498-504.

［3］ 段鸾芳，凌祥，彭浩.内翅片管传热流动性能的试验及模拟研究［C］//中国机械工程学会压力容器分会.第五届全国换热器学术会议论文集，2015.

［4］ WANG Q W，LIN M，ZENG M.Effect of lateral fin profiles on turbulent flow and heat transfer performance of internally finned tubes［J］.Applied Thermal Enginneering，2009，29（14?15）：3006-3013.

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（收稿日期：2022-04-25，修回日期：2023-03-13）

Research on Enhanced Heat Transfer Characteristics of Spherically Convex Inner Finned Tubes

SHANG Yong?qiang， FAN Zong?liang， YANG Yong， WANG Dong?liang， LI Gui?xian

（Key Laboratory of Low Carbon Energy and Chemical Engineering of Gansu Province， School of

Petrochemical Engineering of Lanzhou University of Technology ）

基金项目：甘肃省科技重大专项（19ZD2GD001）；甘肃省高等学校产业支撑计划项目（2020C?06）。

作者简介：尚永强（1989-），硕士研究生，从事传热传质强化的研究。

通讯作者：范宗良（1969-），副教授，从事传热传质强化的研究，fanzl@lut.edu.cn。

引用本文：尚永强，范宗良，杨勇，等.球凸内翅片管强化传热特性研究［J］.化工机械，2023，50（2）：179-186；243.