摘 要 随着当代社会工业化进程的快速发展，能源短缺问题以及环境污染问题已经成为世界各国面临的重大难题，逐渐成为制约世界各国可持续发展的障碍。节能成为一个重要课题，各国科研人员都在积极探寻高效节能的途径。换热器是许多工程领域应用十分广泛的热力设备，利用强化传热技术对换热器的传热进行强化具有很强的经济性。因此，进行“螺旋槽纹管的换热特性研究”具有一定的理论意义和实际过程应用价值。 首先对强化传热进行了详细的介绍，并对螺旋槽纹管以及其强化传热机理进行了系统的分析，紧接着对数学模型、计算模型、几何模型内各个参数所代表的含义以及如何选取及选取的原因进行了综合的探讨，最后用SolidWorks对三根具有不同的槽深或螺距的螺旋槽纹管以及一根结构参数相同的光管建模，将已建好管内流体的模型导入到ICEM CFD中进行合理的网格划分之后，导入到ANSYS Fluent 18.0中对其管内换热工质的流动以及换热进行了数值模拟分析，得到各管内流体的温度场分布图、压力场分布图、速度矢量图。通过对不同的流场图进行比较，验证了螺旋槽纹管具有强化传热的性能，并分析了不同管内流场分布图出现差别的机理，得到了螺旋槽纹管为达到强化传热目的在结构改进上的思路。 关键词：螺旋槽纹管；结构参数；强化传热；数值模拟

ABSTRACT

With the rapid development of contemporary society industrialization process, the energy shortage and environmental pollution has become a major problem faced by the countries all over the world, has gradually become the obstacle of restricting the sustainable development of the countries all over the world. Energy conservation has become an important topic, and researchers in all countries are actively exploring ways to save energy. Heat exchanger is a very wide application in many engineering fields, and the heat transfer of heat exchanger is strengthened with enhanced heat transfer technology. Therefore, the study on heat transfer characteristics of spiral grooved pipe has certain theoretical significance and practical application value. First introduction to strengthen heat transfer in detail, and the mechanism of spiral grooved tube heat transfer enhancement and the system is analyzed, then the mathematical model, calculation model, the geometric model within the meaning of each parameter represents and how to select and choose the reason has carried on the comprehensive discussion, and finally, using SolidWorks to model the three spiral grooves with different groove depth or screw pitch, and the same structural parameter, the model of the same structure is introduced into the ICEM CFD after the reasonable grid partition. In this paper, the flow of heat transfer in the tube and the heat transfer in ANSYS Fluent 18.0 were analyzed, and the temperature field distribution diagram, pressure field distribution diagram and velocity vector diagram of the fluid in each tube were obtained. Through flow field of different figure, verify the performance of spiral grooved tube with improved heat transfer, and analyzes the different pipe flow field distribution in the mechanism of the difference, the spiral grooved tube for the purpose of strengthening heat transfer on the improved structure is proposed. Key words: Spirally fluted tube; The structural parameters; Enhanced heat transfer; Numerical simulation 目录 摘 要 I ABSTRACT II 第一章 绪论 1 1.1意义和背景 1 1.2强化传热及螺旋槽管的研究发展简介 1 1.3强化换热途径 3 1.3.1增大平均传热温差 3 1.3.2增大换热面积 4 1.3.3提高传热系数 4 1.4研究基本内容和目标 5 1.4.1研究的基本内容 5 1.4.2研究目标 5 第二章 螺旋槽纹管的传热原理及选型 6 2.1螺旋槽纹管的简介 6 2.2螺旋槽纹管的强化传热原理 6 2.3螺旋槽纹管的选型及参数确定 7 2.3.1槽深e的确定 8 2.3.2螺距P的确定 9 2.3.3螺旋升角β的确定 9 2.3.4槽宽b的确定 10 2.4本文模型的几何参数 10 第三章 数学模型的建立 11 3.1传热模型的建立 11 3.2控制方程的建立 11 3.3螺旋槽纹管的传热模型 13 第四章 计算模型的选取 14 4.1湍流现象的简介 14 4.2湍流数值模拟的方法 14 4.3湍流换热时的湍流模型 14 4.3.1零方程模型 15 4.3.2单方程模型 15 4.3.3双方程模型 16 第五章 几何模型的建立与求解设置 20 5.1几何模型的建立 20 5.2网格划分 21 5.3边界条件的确定 22 5.4材料物性参数的确定 24 5.5求解设置 24 第六章 数值模拟结果分析 25 6.1温度场的分布 25 6.2压力场的分布 28 6.3速度场的分布 31 6.4螺旋槽纹管的换热性能综合分析 35 第七章 结论与展望 36 参考文献 37 致谢 39

第一章 绪论

1.1意义和背景

随着当代社会的进步，当代工业的快速成长，人类对能源的需求量也越来越大，而与此同时，全世界正面临着全球能源日益枯竭的威胁和环境污染日益严重的问题，日益严峻的环保问题和全球能源的枯竭正逐步威胁到人类社会的可持续发展。能源的供应愈来愈严重，致使其价格的逐步升髙，节能成为当务之急，世界各国都在探求新能源和节能新途径。热量传递是自然界和工程技术中普遍存在的物理现象,凡有温差的地方,热量便会自发地由高温处向低温处传递^[1]。因为各类工程技术领域中普遍存在着传热问题，所以传热学的研究具备非常重要的理论意义和非常广泛的工程利用价值。 换热器作为换热设备，广泛应用于石油、化工、动力、冶金等各个工业领域中，为了最大限度地利用热能和回收余热，对换热设备进行强化传热技术的研究越来越受到人们的关注^[2]。以船舶的蒸汽锅炉为例,蒸汽锅炉本身就是一个大型复杂的换热器，燃料在炉膛中燃烧产生的热量,需要应用多种传热方式,通过炉膛受热面、对流蒸发受热面、过热器等加热工质,使工质汽化、过热而成为能输送的符合要求的过热蒸汽^[3]。在制冷工业中,以食品冷藏和医疗卫生事业常用的以氨为制冷剂的蒸汽压缩制冷装置为例,经过压缩机压缩后的气态氨在冷凝器中被冷却为液体^[4]。高压液氨在节流阀或膨胀机中绝热膨胀,使温度降低至远小于环境温度。高压低温液氨流经布置在冷藏室的蒸发器时吸收热量蒸发变为氨气状态进入压缩机。此后,重复新的循环。在上述的以氨或别的工质为制冷剂的蒸汽压缩制冷设备中,以及其它诸如蒸汽喷射式和吸收式制冷设备中,都存在凝结器和蒸发器等换热器,因此也都存在传热问题，因此，提高换热设备的效率是至关重要的，研究出效率高、重量轻、体积小、价格低的换热器对于节约资金、节省能源有着十分重要的意义^[5]。

1.2强化传热及螺旋槽管的研究发展简介

国内外已经对强化换热的理论和技术进行了非常系统深入的研究,并取得了重大的研究进展,强化传热技术已经广泛应用于实际工程当中。进入21世纪后，各国逐渐将研究重点转向强化传热技术在工业生产中的应用方面，在最少的传热设备体积下，如何让传热速率最大化，以实现利用经济的设备达到最高效的传热效果是强化传热研究的主要工作^[6]。因此，强化传热的研究具有很强的经济性。强化传热可分为有源强化和无源强化两种，无源强化传热技术包括：①表面处理；②粗糙处理；③扩展表面；④扰流元件；⑤旋流发生器⑥螺旋管；⑦表面张力器件；⑧添加物。有源强化传热技术包括：①机械搅动；②表面振动；③流体振动；④电磁场；⑤喷注或抽吸；⑥射流冲击等^[7-10]。由于有源强化技术在应用上存在许多问题，所以无源强化技术在实际工程领域的应用最为广泛。本文研究的螺旋槽纹管的强化换热也是无源强化技术的范畴。 研究各种工业领域换热过程的强化措施来设计新型的高效换热器,是现代社会发展过程必须解决的难题,也是开发新能源和开展节能工作的紧急任务。目前研究主要集中在以下几个方面：①研发新型的换热器,如振动盘管式、平行流式、板棒式等结构紧凑式换热器。②对现有的管壳式换热器采用强化传热措施。③热管换热技术的开发。热管换热器具有高效、紧凑以及不需要额外动力等优点,因而运行成本低,具有较好的应用前景。④无机热传导技术研究。这方面需要进行下一步原理的深入研究，但是据研究人员分析,这是一种全新的热管技术。 目前最新进展是以下三方面研究： 利用计算机进行数值模拟分析和可视化技术进行研究。考虑到流体介质、热负荷及设备规模等的差异，通常难以比较哪种流动方式更有利于换热^[11]。因此利用可视化技术和应用CFD数值模拟等软件来对流体管道内的速度场，温度场等分布情况进行分析，得出相应的强化传热的途径。 进行纳米流体的研究。近年换热器的表面强化技术得到了快速发展，新型的换热器面临的难题主要是如何获取高导热系数的换热工质，为了满足更大的换热负荷需要，还得从获取高导热系数的换热工质方面考虑。 场协同效应的研究。目的是研究管内流体的各种场，如速度场、温度场、压力场等传热的影响。螺旋形表面强化管，结构简单、成本低廉、用途广泛、结垢少且易清洗，其强化效果明显，与体积、消耗泵功率相同的光管式换热器相比，螺旋槽管换热器可以将总传热系数提高35%-40%，因而备受人们青睐^[12]。 国内学者的研究方向主要集中在单头螺旋型表面强化管上，并取得了一定成果，重庆大学在20世纪70年代末就开始螺旋槽管的实验研究，并将螺旋槽管运用到WNS4-8-Q天然气锅炉上，不仅提高了管内传热系数，而且使钢材消耗量减少为原来的一半^[13]。 通过不断地实验研究，专家们普遍认为小螺距且螺旋升角在接近90度时，螺旋槽纹管具有最好的换热性能。为进一步扩大螺旋型表面强化管在石油和化工等领域中的应用，有必要对螺旋型表面强化管的管型结构进行优化，系统的研究管内径D、节距P、槽深e和螺旋升角等因素对管内流动和换热的影响，以及管内各种不同工质的换热和流动情况^[14]。随着现代科学技术的快速发展,可利用电子计算机进行合理的数值模拟分析。本文就是利用ANSYS Fluent等软件对螺旋槽纹管管内流动情况进行数值模拟分析从而得到流场分布图。

1.3强化换热途径

热量的传递一般是通过导热、对流、辐射三种方式来实现的，强化传热也应通过这三种方式来进行。 换热量的基本计算式为： （1.3.1） 式中 —传热系数，W/(m².K) —换热面积，m² —平均传热温差，K 由上式可知，增大换热器的传热量主要方法即：增大传热系数K、换热面积A以及平均传热温差△t_m三种。在换热器的研究、设计、使用操作中，也基本通过这三个办法来实现强化传热。

1.3.1增大平均传热温差

增大平均传热温差的方法主要有两种： (1) 当冷和热流体的入口和出口温度恒定时，通过改变热交换表面的布置来增加平均热传递温度差。当进行热交换的冷热流体的流动方向相同时，平均传热温差最小; 当流动方向相反时，平均传热温差最大。因此，热交换器的热交换表面应尽可能采用逆流布置的传热方式。 （2）在实际的工业领域，通过增大进行热交换的冷热流体的温差来增大换热量往往是行不通的，如在石油化工领域，进行换热的流体进出口温度在工艺过程中已经被严格限制，不能随意更改，流体的温度伴随着工艺过程的确定也就确定了下来。因此，在许多领域，若采用加热或冷却换热工质的温度来增大平均换热温度差，还需对技术和经济性进行充分的考量，不能随意的增大进出口流体的温度差。在核能工程的反应堆冷却系统以及其它工程一些设备中，有时换热器中的平均传热温差是给定的，这样也就不能再靠增大传热温差来强化传热了,因此，通过增大平均传热温差以强化传热的效果是有限的,由于平均传热温差的增加会造成很大的能量损失，所以往往尽量减小平均传热温差^[2]。

1.3.2增大换热面积

为了尽可能的扩大换热设备的换热表面积，同时降低换热设备的尺寸，必须采取相应措施，主要有：

1. 换热管采用合理的排列方式以及适当的间距，不但可以增加原有空间内换热管的数量，还能够改善换热工质的流动条件；在换热管之间安装导流装置，使在换热管之间流动的流体由横向流动改为纵向流动，尽可能的较少或消除在管壳式换热器隔板间存在的换热不活跃区域的面积。
2. 采用螺旋槽纹管、波纹管等异型管作为进行热交换的受热面，也可以将凹凸管、翘片管、板翅等一些结构迥异的换热管作为热交换的换热面。这种改变受热面的结构的方法主要是通过增加进行热交换的受热面面积和增大流体的湍流强度来实现强化传热，但是这种方法增加了进行换热的工质的流动阻力。
3. 改善原有的热交换表面。这对于有相变传热来说具有很强的经济性，由于珠状凝结的传热系数远高于膜状凝结，特别是表面张力较大的热交换工质，因此通常会对换热表面进行适当的处理，冷凝液体难以润湿的凝结换热壁面。通常釆取三种处理方式：①化学覆盖法；②聚合物涂层法；③电键法。美国、法国、日本等国在这个领域的研究较多。例如日本川崎公司通过在换热管内涂上多孔金属覆盖层，使管内形成砂型粗糙表面，研究表明，该方法可以提高沸腾换热系数，但砂型粗糙表明受影响较大，故釆用该方法处理的换热管，其对流体的材料要求苛刻^[15-17]。

1.3.3提高传热系数

当换热器处于稳定传热工况下，其传热系数可由下式确定: （1.3.2） 式中 —管壁外侧对流换热系数； —管壁内侧对流换热系数； —管壁外侧污塘热阻； —管壁内侧污塘热阻； —管壁热阻； —壁厚； —传热总热阻。 传热系数主要是利用降低对流换热的热阻的方式来实现，在其他参数确定的条件下，主要通过增大换热管管壁两侧的对流传热系数来实现。

1. 减小污塘热阻也是提髙强化传热系数的有效途径
2. 本文采用的是增大换热面积即采用螺旋槽纹管这种特殊的管道来增大换热面积，以达到强化传热的目的。

1.4研究基本内容和目标

1.4.1研究的基本内容

螺旋槽纹管，是一种在实际工程中运用十分广泛的高效异形换热管，本文采用流体分析软件ANSYS Fluent对具有不同槽深和螺距的螺旋槽纹管以及光管进行数值模拟分析，并对管内流动和强化换热的原理进行深入研究和分析，以及对螺旋槽纹管和光管的对流换热情况进行对比得到强化传热的思路。研究其换热特性，以及参数槽深e、螺距P对换热情况的影响，以及不同的结构参数的流动阻力大小。由于管道内的流动情况十分复杂，在没有实验设备的情况下，为了能够得到准确的结果，采用目前使用最多的数值模拟分析，对管内的流体进行求解，得到温度分布图以及流速分布图。在不同结构的换热管内流体的几何模型建立后，导入网格划分软件进行网格划分，本文利用ICEM CFD软件来对模型进行网格划分，划分网格之后，将网格文件导入Fluent中，在对模型的边界条件进行选取之后，再进行迭代计算，最后对结果进行后处理。

1.4.2研究目标

本文利用目前功能最强大的流体分析软件ANSYS Fluent进行数值模拟分析，通过Fluent18.0进行流场模拟分析之后得到不同的结构参数的螺旋槽纹管的温度场分布图、压力场分布图和速度矢量图，以及通过查阅资料所得到的流动阻力的理论，分析螺旋槽管是否比光管具有更好的换热特性，分析流场分布图得到螺旋槽管强化换热的原理，通过对同一截面不同结构参数的螺旋槽管的温度场及速度场分布图进行对比得出最有效的强化换热的途径，为螺旋槽纹管的强化换热在结构上的改进提供思路。