大轮径弓形截面螺旋管夹套内流体流动与传热努塞尔数与摩擦系数的计算方法技术

大轮径弓形截面螺旋管夹套内流体流动与传热努塞尔数与摩擦系数的计算方法，涉及半管式夹套。在圆形截面螺旋管管内流体流动和传热努塞尔数和摩擦系数计算公式的基础上，考虑弓形截面圆心角的影响，分别得到弓形截面夹套内努塞尔数和摩擦系数的关联式，努塞尔数和摩擦系数的关联式，并将其与数值模拟结果进行对比，验证了关联式的准确性。本发明专利技术可通过公式计算得到大轮径弓形截面夹套的努塞尔数和摩擦系数，为弓形截面管式夹套的传热工艺计算和工程设计提供了理论和应用支撑。热工艺计算和工程设计提供了理论和应用支撑。

【技术实现步骤摘要】
大轮径弓形截面螺旋管夹套内流体流动与传热努塞尔数与摩擦系数的计算方法


[0001]本专利技术涉及半管式夹套，具体涉及计算大轮径弓形截面螺旋管式夹套内流体流动与传热努塞尔数和摩擦系数的计算方法。

技术介绍

[0002]工程上往往通过在容器外安装夹套来对容器内部介质进行加热或冷却，夹套设备正广泛应用于化工、轻工、造纸、制药以及食品等国家基础产业中，其性能的优劣及强化传热对过程工业节能降耗具有重要影响。螺旋半管式夹套作为夹套容器的一种，与整体夹套相比，具有传热效率高、承载能力强、节约能源、节省材料等优点。由于以上优越性，半管式夹套在工业生产装置中越来越受到青睐。
[0003]半管式夹套按照其横截面结构不同，分为半圆形和弓形半管夹套。半圆管或弓形管夹套主要利用带材旋压成型，即采用金属板带作为原材料，金属板带在前后直排的数组成型辊轮中通过，随着辊轮的回转，在将带料向前送进的同时，顺次横向弯曲成半圆形(或弓形)，最后进行纵向弯曲成环状。因此，弓形截面半管的制造成型难度要小于半圆管。
[0004]管内流体的流动及传热是考察夹套性能的重要指标，工程上努塞尔数反映夹套内的传热特性，摩擦系数反映夹套内的流动特性。当前国内外学者对圆形截面螺旋管夹套和半圆管夹套研究颇多，关联式也是针对以上两种，但研究发现，在流量和换热量一定时，弓形管夹套相比于同一管径的半圆管夹套流速更高，雷诺数更大，换热效果更好，因而更能节省材料，减小制造难度，但流动阻力更大。以综合性能评价因子pec来评价夹套的综合传热效果，计算公式如下：
[0005][0006]式中：Nu——努塞尔数；
[0007]f——摩擦系数；
[0008]Nu0——对应截面圆心角为180
°
时的努塞尔数；
[0009]f0——对应截面圆心角为180
°
时的摩擦系数。
[0010]研究发现弓形截面夹套的综合换热性能好于半圆形截面。因此研究弓形管夹套的强化作用，且给出用于计算实际工程中大多使用的设备筒体直径较大的大轮径弓形螺旋管夹套努塞尔数与摩擦系数的关联式具有重要工程应用价值。

技术实现思路

[0011]不同圆心角的夹套截面示意图如图1所示，螺旋半管式夹套模型示意图如图2所示。为更好的研究实际工程中弓形截面管夹套的强化传热，本专利技术给出了用以计算大轮径弓形截面螺旋管夹套内的努塞尔数和摩擦系数的关联式，为实际工程中大轮径弓形管夹套的工艺设计计算提供了理论基础。
[0012]如图3所示，本专利技术提供了计算大轮径弓形截面管式夹套内努塞尔数与摩擦系数的计算方法，包括以下步骤：
[0013]步骤1：确定弓形截面夹套的基础参数：弓形截面对应圆弧壁处管子内径d，螺旋轮径D
c
，弓形截面圆心角α，流体密度ρ、动力粘度μ、流体流速u、普朗特数Pr；
[0014]步骤2：根据以上已知数据计算出夹套内流体的当量直径d
e
、雷诺数Re以及曲率比δ；
[0015]步骤3：改变参数值进行数值模拟，得出夹套内流体流动和传热特性参数——努塞尔数Nu和摩擦系数f。
[0016]在圆形截面螺旋管管内流体努塞尔数和摩擦系数计算公式的基础上，考虑弓形截面圆心角的影响，基于数值模拟结果，利用IBM SPSS Statistics软件拟合公式，分别得到大轮径弓形管夹套内努塞尔数和摩擦系数的关联式：
[0017]适用范围：10000≤Re≤30000,90
°
≤α≤180
°
,40mm≤d≤106mm,1000mm≤D
c
≤4500mm。
[0018][0019][0020]式中Re——雷诺数，d
e
——当量直径，m，A——夹套流通横截面积，m2，L——夹套截面润湿周长，m，u——流体流速，m/s，ρ——流体密度，kg/m3；μ——动力粘度，Pa﹒s；
[0021]Pr——普朗特数；
[0022]δ——曲率比，d——管子内直径，m，D
c
——螺旋轮径，m；
[0023]α——弓形截面圆心角。
[0024]本专利技术的积极效果为：
[0025]本专利技术在圆形截面螺旋管努塞尔数和摩擦系数计算公式的基础上，考虑弓形截面圆心角的影响，以水为介质，通过计算大量数据，利用IBM SPSS Statistics软件拟合公式得到计算大轮径弓形截面螺旋管式夹套努塞尔数和摩擦系数的关联式，最后通过数值模拟验证关联式的准确性，在本专利技术的适用范围内误差小于4％，具有较高的精度，可满足工业要求。为实际工程中的大轮径弓形截面螺旋管式夹套的传热工艺计算和工程设计提供了理论和应用支撑。
附图说明
[0026]图1为不同圆心角夹套截面示意图；
[0027]图2为螺旋半管式夹套模型示意图；
[0028]图3为本专利技术提供的对大轮径弓形截面螺旋管式夹套努塞尔数及摩擦系数计算方法的流程图。
具体实施方式
[0029]为了使本专利技术的目的、技术方案及优点更加清晰明白，以下结合实例对本专利技术进行进一步详细说明。
[0030]本专利技术实例提供的计算大轮径弓形截面半管式夹套内努塞尔数与摩擦系数的计算方法，实例情况如下：
[0031]本实例采用管子直径d为80mm，曲率直径D
c
为1600mm为例，以水为夹套内流动介质，且不考虑水的物性参数变化，密度ρ为998.2kg/m3，动力粘度μ为0.001003Pa﹒s，普朗特数Pr为7.01。
[0032]步骤1：确定弓形截面夹套的基础参数：管子内径，螺旋轮径，弓形截面圆心角，流动介质的密度、动力粘度、流速、普朗特数；
[0033]步骤2：根据以上已知数据及各自对应的截面圆心角及流速，计算出夹套内流体的当量直径d
e
、雷诺数Re以及曲率比δ，结果见下表1：
[0034]表1算例基础参数
[0035][0036]步骤3：进行数值模拟，得出夹套内流体流动和传热特性参数——努塞尔数和摩擦系数，拟合关联式如下：
[0037][0038][0039]依据关联式，一些算例的计算结果见下表2：
[0040]表2算例计算结果
[0041][0042]为了验证本专利技术所拟合关联式的准确性和适用性，根据已知夹套参数进行有限元数值模拟，并与关联式计算结果进行比较，见表3，可以看出，大轮径弓形截面管式夹套努塞尔数与摩擦系数拟合关联式的计算结果与数值模拟结果吻合良好，相对误差均在4％以内，说明所拟合的关联式满足工业要求，能够为工程实际提供参考借鉴。
[0043]表3数值模拟值与拟合公式值对比
[0044][0045]
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种大轮径弓形截面螺旋管夹套内流体流动与传热努塞尔数与摩擦系数的计算方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1：确定弓形截面夹套的基础参数：弓形截面对应圆弧壁处管子内径d，螺旋轮径D
c
，弓形截面圆心角α，流体密度ρ、动力粘度μ、流体流速u、普朗特数Pr；步骤2：根据以上已知数据计算出夹套内流体的当量直径d
e
、雷诺数Re以及曲率比δ；步骤3：改变参数值进行数值模拟，得出夹套内流体流动和传热特性参数——努塞尔数和摩擦系数；和摩擦系数；式中Re——雷诺数，d
e
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【专利技术属性】
技术研发人员：李慧芳，李维聪，吴志伟，钱才富，
申请(专利权)人：北京化工大学，
类型：发明
国别省市：