張 蘭 候朝兵 劉尚卿 張江輝

花柄管管內(nèi)單相傳熱與流動特性的實驗與數(shù)值研究

張 蘭 候朝兵 劉尚卿 張江輝

（青島科技大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院 青島 266061）

對光滑水平管道進(jìn)行實驗和數(shù)值模擬，通過對比換熱系數(shù)驗證數(shù)值模擬的可靠性。再對花柄管進(jìn)行CFD數(shù)值模擬，結(jié)果表明；花柄管波浪狀表面對制冷劑起到一定的擾流作用，并產(chǎn)生渦流加強(qiáng)換熱；平均換熱系數(shù)沿進(jìn)口段至出口段方向減小且分布逐漸均勻。實驗臺熱損失在3%內(nèi)，對實驗結(jié)果影響較小，確保實驗數(shù)據(jù)的可靠性。

花柄管；單相；數(shù)值模擬；傳熱

0 引言

節(jié)能減排是現(xiàn)在全世界面對的共同難題。能源短缺、環(huán)境污染一直是我國乃至全球社會發(fā)展進(jìn)程中的兩大急需解決的問題。建筑的采暖、空調(diào)、照明和家用電器等設(shè)施消耗了全球約1/3的能源，其中供暖、空調(diào)和熱水的能源消耗又約占其總消耗的60%以上，且建筑能耗每年都在不斷增加，為節(jié)能減排增加了巨大壓力。研究高效可靠的換熱設(shè)備是行業(yè)的主要任務(wù)。如果能在換熱器設(shè)計方面得到更高效的傳熱效果，設(shè)計直徑更小的管節(jié)省材料，環(huán)保，必須利用更小直徑的管，而小于5.0mm的管型尚不是主流管型，此類型的管內(nèi)實驗數(shù)據(jù)還非常有限。在生產(chǎn)新型換熱管之前，利用CFD數(shù)值模擬對管子進(jìn)行換熱性能測試，既可以節(jié)省原材料保證了經(jīng)濟(jì)性，又可以根據(jù)模擬結(jié)果不斷進(jìn)行表面結(jié)構(gòu)的調(diào)整以最大可能提高管子的換熱性能。

花柄管是一種采用擴(kuò)展表面強(qiáng)化傳熱技術(shù)對換熱器進(jìn)行強(qiáng)化傳熱的無功強(qiáng)化元件，如圖1所示，花柄管是外徑為18.2mm，內(nèi)徑為17mm的銅管，套管內(nèi)徑25mm?；ū芄芡鈴?qiáng)化吸收，管內(nèi)增加絮流擾動，防止結(jié)垢?；ū軆?nèi)側(cè)的換熱工質(zhì)是制冷劑R410A，外側(cè)是水。光管和套管之間由發(fā)泡材料進(jìn)行發(fā)泡處理，套管外側(cè)包裹保溫材料。光管的外徑為19.1mm，內(nèi)徑為17.1mm，套管內(nèi)徑為25mm。圖1（a）為花柄管模型圖，（b）為工質(zhì)流動方向示意圖。

（a）花柄管

（b）工質(zhì)流動方向

圖1 物理模型

Fig.1 Physical Model

1 實驗過程

圖2 驗裝置原理圖

圖2所示為在實驗期間測試臺的實驗裝置的示意圖，電子齒輪泵將處于儲液罐中的過冷狀態(tài)的制冷劑R134a輸送到預(yù)熱部分。預(yù)熱段利用恒溫水使制冷劑R134a加熱至測試段的入口溫度的目標(biāo)溫度。制冷劑R134a在套管換熱器中與水進(jìn)行逆向的耦合傳熱，制冷劑R134a流經(jīng)管程，冷卻水流經(jīng)殼程，制冷劑的熱量由冷卻水帶走。制冷劑R134a在測試段排出后流入冷凝器冷凝至一定的溫度后流入儲液罐，再進(jìn)入干燥過濾器進(jìn)行干燥過濾，最后送至電子齒輪泵，至此完成了整個循環(huán)。PT100鉑電阻用作試驗臺的溫度傳感器，主要功能是測量水和制冷劑的入口和出口溫度，實驗數(shù)據(jù)由數(shù)據(jù)采集儀器獲得[1]。

通過數(shù)據(jù)采集儀器獲得實驗數(shù)據(jù)，以獲得測試部分的熱交換量。通過套管換熱器的水側(cè)熱平衡計算試驗段的換熱量，得到進(jìn)水口和出水口的溫度和體積流量[2]：

通過實驗測得的制冷進(jìn)出口溫度和壓力數(shù)據(jù)，再通過REFPROP 9.0軟件查出。管外水的換熱量和管內(nèi)制冷劑的換熱量的熱損失由下式計算：

對數(shù)平均溫度（LMTD）實際上是指制冷劑在整個換熱管內(nèi)面積上的積分平均值，制冷劑的飽和溫度和水兩側(cè)的溫度決定：

假設(shè)沒有污垢熱阻，那么套管換熱器的總換熱熱阻為：

式中：U為測試段換熱器的總換熱系數(shù)，W/(m2·K)；A為測試段水側(cè)的換熱面積，m2。

Gnielinski[3]公式可以準(zhǔn)確預(yù)測套管式換熱器水側(cè)的換熱系數(shù)：

整個實驗系統(tǒng)嚴(yán)格考慮了試驗管道熱損失的問題，在各個管道之間進(jìn)行了保溫隔熱處理。并進(jìn)行熱平衡測試，熱平衡測試時利用制冷劑在單相狀態(tài)下進(jìn)行換熱實驗，分別計算出水側(cè)焓變和制冷劑焓變并進(jìn)行對比，保證實驗臺數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。如圖3所示，熱平衡損失在3%以內(nèi)，對實驗結(jié)果幾乎沒有影響。

2 數(shù)值模擬

由于實驗測量點難以建立，僅通過實驗方法難以分析實驗流體的流動和傳熱機(jī)理。因此，有十分必要通過數(shù)值模擬進(jìn)行分析。

2.1 數(shù)學(xué)模型

Realizable-模型（可視化模型 RKE）其耗散率()方程由旋渦脈動的均方差導(dǎo)出，適用范圍比較廣，精度高于RNG-模型，對旋轉(zhuǎn)，回流和分離等現(xiàn)象能夠更好的預(yù)測。

Realizable-湍流模型包括湍流脈動動能方程，如式（5）所示；脈動動能耗散率方程，如式（6）所示：

制冷劑R410A在光管內(nèi)部作三維定常湍流運動且不發(fā)生相變，忽略自然對流和輻射換熱；假設(shè)流體為不可壓縮流體，且制冷劑物性參數(shù)穩(wěn)定；光管為水平放置，忽略重力對工質(zhì)流動的影響，且壁面光滑；光管管壁熱阻很小，忽略其熱阻對換熱的影響；套管經(jīng)過發(fā)泡處理，外部嚴(yán)格包裹保溫材料，可認(rèn)為是絕熱。對該模型建立對流換熱控制方程[5]：

（1）連續(xù)方程（質(zhì)量守恒方程）用公式（7）表示：

（2）動量守恒方程如式（8）（9）（10）：

式中，為不可壓縮流體的密度，為壓力，為不可壓縮流體在平均溫度下的動力粘度。

能量守恒方程如式（11）：

式中，為溫度，為導(dǎo)熱系數(shù)，C為定壓比熱容。

2.2 邊界條件

入口設(shè)置為質(zhì)量流量入口，出口為壓力出口，根據(jù)實驗所測進(jìn)口溫度設(shè)置制冷劑和水的進(jìn)口溫度，且根據(jù)制冷劑和水入口流速計算出湍流強(qiáng)度。制冷劑和水進(jìn)行耦合傳熱，選取Realizable K—ε模型，采用二階迎風(fēng)格式離散，實現(xiàn)在模擬流動時耦合計算熱量傳遞過程。求解器采用壓力修正算法，能量方程的收斂標(biāo)準(zhǔn)設(shè)為1×10-6。

2.3 網(wǎng)格劃分

本文對于長2m的花柄管運用icem進(jìn)行結(jié)構(gòu)性網(wǎng)格劃分，并對邊界進(jìn)行加密處理如圖4所示。通過fluent18.0軟件進(jìn)行數(shù)值計算，劃分網(wǎng)格數(shù)量100萬，并開展了網(wǎng)格無關(guān)性檢驗。在檢驗中發(fā)現(xiàn)在同一工況下網(wǎng)格數(shù)量為70萬、100萬、150萬時的制冷劑出口溫度和換熱系數(shù)相差不大，可認(rèn)為滿足網(wǎng)格無關(guān)性。

3 模擬結(jié)果分析

3.1 溫度分析

選取了其中某一個質(zhì)量流速下光管的溫度場云圖，如圖5所示。在模擬計算達(dá)到穩(wěn)定后，如圖5（a），在制冷劑經(jīng)過與管外水發(fā)生熱交換，制冷劑進(jìn)口段的溫度最高，但沿著進(jìn)口至出口方向上，管內(nèi)制冷劑溫度值逐漸降低，出口段溫度最低。圖5（b）和圖5（c）分別是進(jìn)口段和出口段溫度場云圖，進(jìn)口段中制冷劑中心區(qū)域溫度最高，在管壁處溫度梯度非常大。并且在出口段溫度分布已經(jīng)十分均勻穩(wěn)定。

（a）整體溫度分布圖

（b）進(jìn)口段溫度分布 （c）出口段溫度分布

圖5 溫度分布云圖

Fig.5 Temperature contours

3.2 對流換熱系數(shù)分布云圖分析

提取其中某一個質(zhì)量流速下花柄管管壁上在數(shù)值模擬時的平均換熱系數(shù)，換熱系數(shù)分布云圖如圖6所示，隨著制冷劑從進(jìn)口段至出口段方向，換熱系數(shù)逐漸減小，并且逐漸分布均勻。因為隨著制冷劑與水發(fā)生熱交換，溫差也在逐漸減小，換熱性能逐漸穩(wěn)定。

圖6 某一段換熱系數(shù)分布云圖

3.3 數(shù)值結(jié)果與實驗數(shù)據(jù)的對比

整理實驗數(shù)據(jù)得到R134a在花柄管與光管內(nèi)的單相質(zhì)量流量與流傳熱換熱系數(shù)的關(guān)系，見圖7。經(jīng)對比發(fā)現(xiàn)，光管的實驗結(jié)果與模擬管內(nèi)換熱系數(shù)比較吻合，存在誤差9%以內(nèi)；花柄管內(nèi)的換熱系數(shù)要比光管中的高，即花柄管壁表面的強(qiáng)化設(shè)計有助于強(qiáng)化傳熱。

圖7 質(zhì)量流量與換熱系數(shù)關(guān)系圖

花柄管表面的波紋在表面形成了一個個比較狹小的通道，使得制冷劑在流經(jīng)表面時增加了擾動，加強(qiáng)表面換熱，且形成了較小的渦流如圖8所示。

圖8 制冷劑出口湍流強(qiáng)度云圖和速度矢量圖

4 結(jié)論

本文對花柄管和光管進(jìn)行了CFD模擬，并對溫度場換熱系數(shù)進(jìn)行詳細(xì)分析，與實驗結(jié)果進(jìn)行比較，引入熱平衡損失，發(fā)現(xiàn)數(shù)值模擬與實驗結(jié)果基本吻合；

（1）在同一工況下，花柄管和光管的中心溫度高于壁面溫度，有中心向四周散熱；制冷劑進(jìn)口處由于溫差大換熱系數(shù)較高，并逐漸趨于平穩(wěn)。隨著質(zhì)量流量的增加，換熱系數(shù)也在逐漸增加，且增幅在增大。

（2）在同一工況下，花柄管的換熱系數(shù)整體高于光管的換熱系數(shù)，花柄管的波紋表面增強(qiáng)了對制冷劑的擾動并在截面處形成渦流。

（3）對花柄管套管的模擬更趨向于實際，比較恒壁溫及恒熱流的邊界條件的出的結(jié)果更加準(zhǔn)確。且對光管的數(shù)值模擬與實驗的比較更加驗證了這一結(jié)果。

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Experimental and Numerical Study on Single-Phase Heat Transfer and Flow Characteristics in Flower Tubes

Zhang Lan Hou Chaobing Liu Shangqing Zhang Jianghui

( Eletromechanical engineering college, Qingdao University of Science and Technology, Qingdao, 266061 )

In order to verify the reliability of the numerical simulation, the experimental and numerical simulations of the smooth horizontal tube were carried out by comparing the Heat transfer coefficient. Then the CFD numerical simulation of the flower tube is carried out. The results show that the wavy surface of the flower tube plays a certain turbulence effect on the refrigerant and generates eddy current to enhance heat transfer. The average heat transfer coefficient decreases along the wall from inlet to the outlet. And the distribution is gradually uniform. The experimental heat loss is within 3%, which has little effect on the experimental results and ensures the reliability of the experimental data.

Flower tube; Single phase; Numerical simulation; Heat transfer

TU83

A

1671-6612（2019）05-565-05

張 蘭（1992.12-），女，漢，在讀碩士研究生，E-mail：1398640550@qq.com

2019-01-14