黎昊為 左夏華 張岱凌 溫 馨 閻 華 楊衛(wèi)民

(北京化工大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院,北京 100029)

引 言

蒸發(fā)器作為換熱器的一種,廣泛應(yīng)用于石油、化工和核電等工業(yè)領(lǐng)域。針對(duì)蒸發(fā)器的強(qiáng)化傳熱開(kāi)展結(jié)構(gòu)及其機(jī)理的研究對(duì)提高能源利用效率、降低投資成本具有十分重要的意義[1]。

換熱管用于兩種介質(zhì)的熱量交換,是蒸發(fā)器的主要組成部件。根據(jù)強(qiáng)化傳熱方式的不同,可以將強(qiáng)化傳熱技術(shù)分為異型管強(qiáng)化法和內(nèi)插件強(qiáng)化法[2],研究人員對(duì)這兩種技術(shù)在沸騰傳熱過(guò)程中的表現(xiàn)進(jìn)行了研究。黨高健等[3]以煤油和水為工質(zhì),對(duì)不同流速下波紋管和光管的沸騰傳熱性能進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究,發(fā)現(xiàn)當(dāng)工質(zhì)為煤油時(shí)波紋管的管內(nèi)沸騰傳熱系數(shù)是光管的2～4倍,當(dāng)工質(zhì)為水時(shí),波紋管的管內(nèi)沸騰強(qiáng)化傳熱系數(shù)是光管的7～14倍。李豪[4]通過(guò)數(shù)值模擬的方法研究了波節(jié)管的沸騰傳熱性能,結(jié)果表明波節(jié)管在沸騰過(guò)程中的表面換熱系數(shù)明顯高于光管,并且其沸騰惡化點(diǎn)相較于光管滯后。劉萍等[5]發(fā)現(xiàn)在光管內(nèi)插入紐帶后,其管內(nèi)沸騰傳熱系數(shù)比光管提高了6%～90%。牛志愿[6]采用在管內(nèi)插入金屬絲網(wǎng)管的方式進(jìn)行了管內(nèi)水流動(dòng)沸騰的可視化研究,結(jié)果表明金屬絲網(wǎng)管可提高部分流型的局部傳熱系數(shù),最大強(qiáng)化沸騰傳熱系數(shù)可提高3倍以上。總體上來(lái)看,異型管強(qiáng)化法相較于內(nèi)插件強(qiáng)化法具有適應(yīng)性強(qiáng)、壓降損失小等優(yōu)勢(shì),但是其內(nèi)表面污垢難以清理,加工難度較大。內(nèi)插件強(qiáng)化法雖然會(huì)導(dǎo)致壓降的增加,但是具有成本低、易安裝、可在線清潔等優(yōu)勢(shì)[2],更適用于蒸發(fā)器內(nèi)沸騰工況下易結(jié)垢的環(huán)境。

組合轉(zhuǎn)子是一種內(nèi)插件式強(qiáng)化傳熱技術(shù),相較于螺旋紐帶,其強(qiáng)化傳熱性能與阻垢性能有明顯提升[7-8]。本課題組已通過(guò)實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬的方式,對(duì)內(nèi)置單元組合轉(zhuǎn)子換熱管的綜合傳熱性能及阻垢特性進(jìn)行了一系列研究[9-13]。但是以往的研究尚未涉及到管內(nèi)沸騰相變的工況。換熱器管管內(nèi)沸騰是指管中液體在流經(jīng)換熱管管壁時(shí),與管壁產(chǎn)生熱交換從而發(fā)生的沸騰現(xiàn)象,沸騰過(guò)程中產(chǎn)生的氣泡無(wú)法自由上浮,而是與管中的液體發(fā)生混合,隨著加熱過(guò)程的進(jìn)行,其流動(dòng)形式以及換熱模式也會(huì)發(fā)生一定的變化[14-15]。與無(wú)相變的對(duì)流換熱相比,沸騰伴隨著潛熱的吸收,兩者的換熱系數(shù)有較大差別。本文通過(guò)Fluent中的Rensselaer Polytechnic Institute(RPI)沸騰模型對(duì)內(nèi)置組合轉(zhuǎn)子換熱管的管內(nèi)沸騰傳熱進(jìn)行模擬,主要探究了不同流速下內(nèi)置螺旋三葉片轉(zhuǎn)子以及低流阻轉(zhuǎn)子管內(nèi)的汽相體積分?jǐn)?shù)以及傳熱性能,以期為進(jìn)一步的研究工作乃至工業(yè)應(yīng)用提供借鑒。

1 數(shù)值計(jì)算

1.1 物理模型的建立

內(nèi)置組合轉(zhuǎn)子換熱管結(jié)構(gòu)如圖1所示。轉(zhuǎn)子通過(guò)轉(zhuǎn)軸串起并用掛件固定于換熱管兩端,數(shù)個(gè)轉(zhuǎn)子通過(guò)限位件的方式被分成不同的組,轉(zhuǎn)子在管內(nèi)水流的沖擊作用下轉(zhuǎn)動(dòng)并懸浮于管中,轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)周?chē)黧w做螺旋運(yùn)動(dòng),加劇了管內(nèi)介質(zhì)的湍流程度,大大減薄邊界層,在強(qiáng)化傳熱的同時(shí)具有在線除垢的功能。

圖1 內(nèi)置轉(zhuǎn)子換熱管結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Structure of the circular tube with inserted rotors

利用Solidworks軟件建立內(nèi)置轉(zhuǎn)子換熱管模型,由于限位件、掛件、轉(zhuǎn)軸對(duì)管內(nèi)流動(dòng)與傳熱的影響較小,為簡(jiǎn)化計(jì)算過(guò)程,在所用模型中予以刪除,并忽略換熱管壁厚。選取5個(gè)轉(zhuǎn)子組成為轉(zhuǎn)子串,轉(zhuǎn)子外徑為17 mm,導(dǎo)程為200 mm,換熱管管長(zhǎng)為200 mm,內(nèi)徑為19 mm,模型如圖2所示。采取相同方法建立內(nèi)置低流阻轉(zhuǎn)子換熱管模型,低流阻轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)如圖3所示,轉(zhuǎn)子外徑為10 mm。采用四面體網(wǎng)格對(duì)模型進(jìn)行劃分,以進(jìn)出口壓降來(lái)考核網(wǎng)格的獨(dú)立性,網(wǎng)格獨(dú)立性檢驗(yàn)結(jié)果如圖4所示,綜合考慮精度與計(jì)算時(shí)間,分別選取1133018和1410812作為內(nèi)置螺旋三葉片轉(zhuǎn)子換熱管模型和內(nèi)置低流阻轉(zhuǎn)子換熱管模型的網(wǎng)格數(shù)。

圖2 內(nèi)置組合轉(zhuǎn)子換熱管模型Fig.2 Model of the circular tube with inserted rotors

圖3 低流阻轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)示意圖Fig.3 Structure of the low flow resistance rotor

圖4 網(wǎng)格獨(dú)立性檢驗(yàn)結(jié)果Fig.4 Grid independence test results

1.2 計(jì)算模型的選擇

由于管內(nèi)的沸騰過(guò)程涉及液態(tài)水向水蒸汽的相變過(guò)程,是典型的兩相流動(dòng),所以需選用多相流模型。本文選取歐拉多相流模型中的RPI沸騰模型,同時(shí)選用Ishii模型來(lái)模擬沸騰狀態(tài)下兩相間的相互作用[16]。RPI模型將加熱面?zhèn)鬟f給流動(dòng)介質(zhì)的熱通量qw分成了3個(gè)部分,分別為液相對(duì)流傳熱通量qc、蒸發(fā)傳熱通量qE和氣泡脫離處由于液體沖擊壁面引起的激冷傳熱qQ,關(guān)系式如下。

式中,hc為單相對(duì)流傳熱系數(shù),Tw為換熱管壁面溫度,Tl為液體溫度,kl為液相導(dǎo)熱系數(shù),t為氣泡等待的時(shí)間周期,f為氣泡脫離頻率,λl為擴(kuò)散系數(shù),dw為根據(jù)關(guān)系式計(jì)算得出的氣泡脫離直徑,Nw為氣化核心密度,ρv為氣體密度,ifg為產(chǎn)生蒸汽的汽化潛熱,A1為壁面上液相所占面積分?jǐn)?shù),A2為壁面上汽相所占的面積分?jǐn)?shù),二者關(guān)系為

其中Dw為管壁直徑。

湍流模型選用對(duì)瞬變流和流線彎曲影響預(yù)測(cè)能力較好的重整化群(renormalization group,RNG)k-ε模型,并選擇標(biāo)準(zhǔn)壁面方程。

1.3 邊界條件的設(shè)置

本文模擬過(guò)程的邊界條件如下。

1)入口邊界采用速度進(jìn)口條件,進(jìn)口速度分別取0.1、0.2、0.3、0.4 m/s和0.5 m/s,入口流體全部為水,流體溫度為370.15 K,蒸發(fā)溫度為373.15 K。

2)出口設(shè)置為壓力出口邊界條件。

3)壁面采用恒壁溫加熱條件,設(shè)置溫度為378.15 K。

4)設(shè)置重力方向沿管軸線向下,即管子豎直放置,流體由下端進(jìn)入,向上流動(dòng)。

1.4 求解器的設(shè)置

本文選用壓力基求解器,壓力速度耦合采用Coupled算法,對(duì)湍流動(dòng)能的離散格式采用一階迎風(fēng)差分格式,動(dòng)量以及湍流耗散率方程的離散格式采用二階迎風(fēng)差分格式,體積分?jǐn)?shù)方程采用Quick格式。管中汽相體積分?jǐn)?shù)不再變化,且連續(xù)性方程、動(dòng)量方程和能量方程的殘差分別達(dá)到10-4、10-6、10-6時(shí)即認(rèn)為收斂。

2 結(jié)果與討論

2.1 入口速度對(duì)汽相體積分?jǐn)?shù)的影響

內(nèi)置單元轉(zhuǎn)子換熱管和光管在不同入口流速下的汽相體積分?jǐn)?shù)對(duì)比如圖5所示。由圖5可知,無(wú)論是光管還是強(qiáng)化管,其管中汽相體積分?jǐn)?shù)都隨入口流速的增大而減小,這是由于隨著入口處冷流體流速的增加,冷流體與換熱管壁的換熱時(shí)間減少,無(wú)法得到充分的加熱并沸騰,導(dǎo)致管中的汽相體積分?jǐn)?shù)減小。此外,不同入口流速下內(nèi)置單元轉(zhuǎn)子換熱管中的汽相體積分?jǐn)?shù)均大于光管的汽相體積分?jǐn)?shù);在入口流速為0.1～0.5 m/s范圍內(nèi),隨著流速的降低,內(nèi)置螺旋三葉片轉(zhuǎn)子換熱管內(nèi)汽相體積分?jǐn)?shù)較光管增大2.7%～25.8%,內(nèi)置低流阻轉(zhuǎn)子換熱管內(nèi)汽相體積分?jǐn)?shù)較光管增大1.13%～13%,說(shuō)明加裝單元組合轉(zhuǎn)子后換熱管的沸騰效果有所提升。

圖5 汽相體積分?jǐn)?shù)隨入口流速變化的關(guān)系曲線Fig.5 Variation in vapor volume fraction with inlet velocity

2.2 不同位置處汽相體積分?jǐn)?shù)的對(duì)比

圖6給出了在入口流速為0.3 m/s時(shí)汽相體積分?jǐn)?shù)沿軸線距入口處位置的變化情況?？梢钥闯?隨著流體與管壁換熱過(guò)程的進(jìn)行,管中流體的溫度逐漸升高,3種管的汽相體積分?jǐn)?shù)沿軸線方向呈遞增的趨勢(shì)。對(duì)于加裝單元組合轉(zhuǎn)子的換熱管,在入口段過(guò)渡區(qū)的汽相體積分?jǐn)?shù)與光管的差別較小,但在0.04 m之后,流體抵達(dá)組合轉(zhuǎn)子的作用區(qū),內(nèi)置螺旋三葉片轉(zhuǎn)子換熱管內(nèi)的汽相體積分?jǐn)?shù)相對(duì)于光管有11%～27.8%的提升,內(nèi)置低流阻轉(zhuǎn)子換熱管內(nèi)的汽相體積分?jǐn)?shù)相對(duì)于光管提高約5.1%～13.2%。

圖6 汽相體積分?jǐn)?shù)隨軸向位置的變化曲線Fig.6 Variation in vapor volume fraction with position

2.3 典型截面分析

圖7給出了入口流速為0.3 m/s時(shí)3種管在同一位置截面處的汽相體積分?jǐn)?shù)分布云圖。在加裝螺旋三葉片轉(zhuǎn)子后,管壁處生成的換熱系數(shù)較小的蒸汽在旋流擾動(dòng)下脫離壁面,并被轉(zhuǎn)子裹挾至管中心區(qū)域,壁面附近的換熱系數(shù)較大的液態(tài)水得以更充分地與壁面進(jìn)行熱交換,極大地促進(jìn)了沸騰過(guò)程的進(jìn)行。低流阻轉(zhuǎn)子由于葉片尺寸較小,作用范圍小,其對(duì)蒸汽的裹挾作用不及螺旋三葉片轉(zhuǎn)子明顯,但相較于光管還是可以很明顯地看出在管壁附近汽相分布更加均勻。

圖7 3種管的汽相體積分?jǐn)?shù)分布云圖Fig.7 Distribution contours of the vapor phase volume fraction for three kinds of tubes

圖8所示為3種管沿管長(zhǎng)方向縱向截面的汽相體積分?jǐn)?shù)分布云圖。水自下而上以一定過(guò)冷度進(jìn)入換熱管?？梢钥闯?水在內(nèi)置轉(zhuǎn)子換熱管中起始沸騰點(diǎn)的出現(xiàn)位置均先于光管,內(nèi)置轉(zhuǎn)子換熱管的起始沸騰點(diǎn)約在第一個(gè)轉(zhuǎn)子的作用區(qū)附近;且相較于低流阻轉(zhuǎn)子,螺旋三葉片轉(zhuǎn)子的擾動(dòng)作用更加劇烈,其沸騰起始點(diǎn)的出現(xiàn)位置更早。從整體來(lái)看,可以發(fā)現(xiàn)加裝轉(zhuǎn)子后管中蒸汽的分布更均勻,水汽混合更加充分,由此可以說(shuō)明沸騰工況下,組合轉(zhuǎn)子對(duì)于汽液兩相流的傳質(zhì)有提升作用。

圖8 3種管沿管長(zhǎng)方向縱向截面的汽相體積分?jǐn)?shù)云圖Fig.8 Contours of the vapor phase volume fraction for three kinds of tubes(longitudinal section along the pipe length)

圖9所示為3種管在同一截面處流場(chǎng)的速度云圖?？梢钥闯鲈诩友b了轉(zhuǎn)子后,靠近葉片處流場(chǎng)的流速有了極大的提升,形成較強(qiáng)的旋流,旋流的產(chǎn)生對(duì)速度邊界層造成破壞,從而增強(qiáng)了流體與壁面間的換熱。

圖9 3種管流場(chǎng)速度云圖Fig.9 Contours of the velocity field for three kinds of tubes

圖10為內(nèi)置螺旋三葉片轉(zhuǎn)子換熱管與光管的流場(chǎng)流線圖。通過(guò)對(duì)比可以看出,流體在進(jìn)入加裝轉(zhuǎn)子的換熱管后,很快便開(kāi)始了螺旋運(yùn)動(dòng),流體既具有徑向速度也具有軸向速度,在徑向流和軸向流的共同作用下,冷熱流體得到了充分的熱交換,加速了對(duì)流換熱。從光管的流線圖可以看出,其內(nèi)部?jī)H有軸向流,難以對(duì)邊界層造成擾動(dòng)。

圖10 兩種管的流場(chǎng)流線圖Fig.10 Flow field streamline diagrams for two kinds of tubes

2.4 強(qiáng)化傳熱綜合性能評(píng)價(jià)

圖11是內(nèi)置單元組合轉(zhuǎn)子換熱管和光管在不同入口流速條件下的努賽爾數(shù)Nu的變化情況對(duì)比。由圖可見(jiàn),在不同的入口流速下,內(nèi)置螺旋三葉片轉(zhuǎn)子換熱管的Nu明顯高于光管,提高幅度約在8.1%～10.79%,內(nèi)置低流阻轉(zhuǎn)子換熱管相較于光管其N(xiāo)u提高約3.6%～8%,說(shuō)明單元組合轉(zhuǎn)子對(duì)傳熱有一定的強(qiáng)化作用。這是由于內(nèi)置單元組合轉(zhuǎn)子后,管中的流體在轉(zhuǎn)子葉片的作用下被甩向壁面,破壞了邊界層,湍流程度大大提高,加劇了中心部位的流體與換熱管壁的熱交換[17],從而提升了傳熱效率。

圖11 3種管的Nu對(duì)比曲線Fig.11 Comparison of Nu for three kinds of tubes

圖12是3種管在不同流速下的進(jìn)出口壓降對(duì)比。由圖可見(jiàn),內(nèi)置單元組合轉(zhuǎn)子換熱管和光管的進(jìn)出口壓降均隨著入口流速的增大而提高,且內(nèi)置螺旋三葉片轉(zhuǎn)子換熱管的壓降要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于光管壓降;內(nèi)置低流阻轉(zhuǎn)子換熱管的壓降低于內(nèi)置螺旋三葉片轉(zhuǎn)子換熱管,并且兩種強(qiáng)化管內(nèi)的壓降上升更快。這是由于轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)周?chē)牧黧w形成二次流,令邊界層附近流速較低的流體與中心處的流體混合,增大了摩擦阻力所做的耗散功,同時(shí)流通面積的減小也會(huì)使得阻力增大[18]。

圖12 3種管的壓降對(duì)比曲線Fig.12 Comparison of pressure drops for three kinds of tubes

綜上所述,內(nèi)置單元組合轉(zhuǎn)子后,在換熱管傳熱能力增大的同時(shí),也增大了進(jìn)出口壓降,引入了更大的流動(dòng)阻力,因此以綜合評(píng)價(jià)因子F(PEC)為指標(biāo)對(duì)換熱管的傳熱效果及節(jié)能效果進(jìn)行衡量[19]

式中,Nu、f分別表示內(nèi)置單元組合轉(zhuǎn)子換熱管的努塞爾數(shù)和阻力系數(shù),Nu0、f0分別表示光管的努塞爾數(shù)和阻力系數(shù)。兩種內(nèi)置單元組合轉(zhuǎn)子換熱管的PEC結(jié)果如圖13所示。

圖13 內(nèi)置單元組合轉(zhuǎn)子換熱管的綜合評(píng)價(jià)因子Fig.13 PEC of tube with inserted rotors

由圖可知,在模擬范圍內(nèi)內(nèi)置螺旋三葉片轉(zhuǎn)子換熱管的PEC值均大于1,內(nèi)置低流阻轉(zhuǎn)子換熱管的PEC值均小于1,因此綜合比較而言,螺旋三葉片轉(zhuǎn)子的強(qiáng)化傳熱性能更優(yōu)。

3 結(jié)論

(1)本文模擬范圍內(nèi),內(nèi)置螺旋三葉片轉(zhuǎn)子換熱管、內(nèi)置低流阻轉(zhuǎn)子換熱管相較于光管在過(guò)冷沸騰工況下,其管內(nèi)汽相體積分?jǐn)?shù)分別提高了約2.7%～25.8%和1.13%～13%,在入口流速為0.3 m/s時(shí),沿管軸線處的汽相體積分?jǐn)?shù)有11%～27.8%和5.1%～13.2%的提升。對(duì)幾種換熱管典型截面的汽相分布云圖進(jìn)行分析后發(fā)現(xiàn),在內(nèi)置單元組合轉(zhuǎn)子后,汽液兩相流的傳質(zhì)效果有明顯提升。

(2)內(nèi)置轉(zhuǎn)子后,換熱管管內(nèi)流體的流動(dòng)方式發(fā)生了明顯的變化,由簡(jiǎn)單的軸向流動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)閺?fù)雜的螺旋運(yùn)動(dòng),使邊界層得到了充分?jǐn)_動(dòng)。

(3)兩種強(qiáng)化管的努塞爾數(shù)相較于光管均有一定的提高,其中內(nèi)置螺旋三葉片轉(zhuǎn)子換熱管的努塞爾數(shù)大于內(nèi)置低流阻轉(zhuǎn)子換熱管;此外,加裝轉(zhuǎn)子會(huì)引入更大的阻力,低流阻轉(zhuǎn)子帶來(lái)的阻力要低于螺旋三葉片轉(zhuǎn)子。通過(guò)綜合評(píng)價(jià)因子對(duì)兩種強(qiáng)化管的換熱性能進(jìn)行衡量,發(fā)現(xiàn)在模擬范圍內(nèi)內(nèi)置螺旋三葉片轉(zhuǎn)子換熱管的PEC值均大于1,內(nèi)置低流阻轉(zhuǎn)子換熱管的PEC值均小于1,因此螺旋三葉片轉(zhuǎn)子的強(qiáng)化傳熱性能更優(yōu)。