学文网摘要：本文研究了螺旋盘管的结构对换热器流动与换热的影响，建立了螺旋管内的控制方程，通过fluent进行模拟求解，得出不同螺旋管的结构对换热效果的影响程度。由模拟结果可以看出，在螺距一定时，传热系数随曲率半径的增大而减小，压强损失也随着曲率半径的增大而减小；在曲率半径一定时，传热系数随着螺距的增大而增大，但是增大的幅度很小。
关键词：螺旋盘管 曲率半径 螺距 fluent
中***分类号：TE08文献标识码： A
引言
螺旋盘管管构造独特，可以利用离心力来抑制污垢的生长，起到自清洗作用。螺旋盘管换热器充分利用空间进行设计，管内通道与管外通道均为螺旋状流体通道，一次介质与二次介质均可旋流运动进行热交换，传热系数较高，结构紧凑、空间利用率高，换热面积大大增加，而且占地面积很小[1]。本文对螺旋盘管换热器进行研究，研究螺旋盘管的结构对换热器换热系数和流动性能的影响。
螺旋管中的流体在离心力的作用下，呈现三维网状流动或不规则螺旋流动，增强了流体边界层、换热边界层的扰动，使边界层变薄，强化对流换热。而且在离心力的作用下，污水中的杂质轻易被带走，具有自清洗功能，避免了频繁清洗，在一定程度上解决了污水中杂质沉淀造成的换热器堵塞、换热效率降低等问题。
1、影响螺旋盘管换热器性能的因素
螺旋管管内为强制对流换热，换热系数由Dittus-Boelter公式[2]计算：
加热流体时，n=0.4，冷却流体时，n=0.3。此关联式仅适用于平直管道，对于螺旋管，需要进行修正。工程上一种实用的做法是，应用上述准则式计算出Nu数后再乘以一个螺旋管修正系数cr。对于液体，，R为盘管曲率半径。
选定介质及换热器材料后，对换热系数有直接影响的参数有：换热管管径d、螺旋管曲率半径R、螺距b。螺旋盘管式换热器的一个优势就是可以充分利用空间，若螺距过大会导致空间利用率低，同时根据文献[3]资料可知，螺距相对曲率半径来说，对换热效率及压强损失的影响相对较小，因此先研究曲率半径对螺旋管换热效果的影响，再研究螺距的影响。
2、螺旋盘管换热器传热模型
2.1模型建立过程的数学描述
2.1.1模型假设
为了使数值模拟结果更能准确真实地反映螺旋盘管强化换热过程，根据流体动力学和传热学等理论基础，对管内的流动与传热进行简化假设。在研究流体流动规律时，文中做了如下假设：
（1）螺旋管管内流体为不可压缩的牛顿流体，流动过程为充分发展阶段的三维定常湍流流动；
（2）流体的各项物性参数不随温度发生变化；
（3）传热过程为稳态。
2.1.2坐标系的建立
根据以上假设，在螺旋盘管换热器的流动换热过程中，建立以r、θ、z为变量的柱坐标系， r代表径向，从圆心向外指为正；θ代表切向，根据右手法则，大拇指指向z轴方向，四指指向为切向的正向；z代表轴向，向上为正。
流速在三个坐标方向r、θ、z上的分量分别为u、v、w，流体压力为 p，密度为常数。螺旋盘管物理模型参数如下：管径d，曲率半径R，曲率直径D，螺距b，螺旋升角。
2.1.3判断流型
管道内流体状态分为层流和湍流，层流的各流层间互不混合，只存在黏性引起的隔层流间的滑动摩擦阻力；湍流流体在沿管轴向流动的同时，伴着大小不等的涡体动荡于各层流之间，流体体质点彼此碰撞、混合。层流是只有轴向速度而径向速度为0，紊流时则出现了径向脉动速度，湍流阻力比层流阻力大得多。
管内流体流态的判别准则――临界雷诺数Recr，若Re≤Recr，则为层流；若Re≥Recr，则为湍流。流态判断的关键在于临界雷诺数的求解，而螺旋盘管的临界雷诺数的计算不同于直管。1959年Ito给出了螺旋管道中流体临界雷诺数的计算公式[4]：
2.2螺旋管内控制方程的建立
湍流对流传热问题的控制方程包括连续性方程、动量方程、方程和能量方程。控制方程的通用形式为[5]：
连续性方程：
动量方程：
k-ε方程：
能量方程：
3、模拟求解过程
3.1曲率半径对流动与换热的影响
综合考虑换热效率与压强损失，本研究换热管选用DN25的铜管，螺距为35mm，保证换热面积一样，分别模拟以下四种曲率半径，换热面积A=0.222m2。
（a）R1=45mm、n1=10；（b）R2=60mm、n2=7.5；（c）R3=75mm、n3=6；（d）R4=90mm、n4=5
将以上四种模型进行求解，模拟条件：螺旋管为铜管，壁厚取为2.5mm，取管壁温度t=27℃；模拟时定义成速度进口，压力出口，螺旋管的进口温度40℃；取管内流体流速为1.0m/s。将模拟得到的数据进行分析计算，绘制出换热系数、压强损失随曲率半径的变化曲线***，如***1所示。
***1 传热系数、压强损失随曲率半径的变化
根据***1可知：在速度、管径、螺距一定的情况下，传热系数随曲率半径的增大而减小，压强损失也随着曲率半径的增大而减小，这是由于管道趋于平缓，离心力导致的脉动程度降低。曲率半径由90mm减小到45mm，传热系数升高了4.2%，而压强损失增加了23%，压损增大的速度远大于传热效果提高的速度。由***可以发现，当曲率半径由45mm增大到60mm时，压强损失急剧下降，下降了13.8%，而传热系数下降了1.7%，相对其他情况，在曲率为60mm左右时螺旋管性能较优。
3.2螺距对流动与换热的影响
模拟条件：换热管为DN25铜管，曲率半径D=60mm，换热面积A=0.2m2，管壁温度t=27℃，管内进口温度40℃，速度进口，压力出口，流速1m/s。分别模拟螺距为35mm、45mm、55mm、65mm时的情况。对以上四种模型进行求解，并绘制出换热系数、压强损失随曲率半径的变化曲线***，如***2所示。
***2 传热系数、压强损失随螺距的变化
根据***2可知：在速度、管径、曲率半径一定的情况下，传热系数随着螺距的增大而增大，但是增大的幅度很小，螺距为55mm时，比螺距为35mm时换热系数提高了1.17%，说明螺距对换热系数的影响不大；在速度、管径、曲率半径一定的情况下，压强损失随螺距的增大而增大，螺距为65mm时，比螺距为35mm时压降提高了5.3%。
螺距大了虽然换热效果稍有提高，但是相应的压损也大了，不利于节能，而且由于压损增大的程度比传热系数要大。综合以上分析，同时为了充分利用换热器空间，体现螺旋盘管换热器的优势，在设计换热器结构时，取螺距为35mm左右比较合适。
参考文献
[1]姜芳芳.水在螺旋盘管内的换热及流动特性研究[D].西安科技大学硕士学位论文,2013.
[2]杨世铭,陶文铨.传热学第四版.北京:高等教育出版社,2006.
[3]徐洪涛.螺旋管道内的流动阻力和传热性能研究[D].华东理工大学硕士学位论文, 2010.
[4]H.Ito, Friction factors for turbulent flow in curved pipes.J.basic R Eng.Ser.D.,1959,81: 123-134.
[5]陶文铨.数值传热学第二版.西安:西安交通大学出版社,2001.
作者简介
徐文，（1989-），女，山东新泰人，硕士研究生，研究方向:低品位能源利用技术。
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