（热能工程专业论文）夹套式热管传热特性实验研究及其换热器壳程流场数值模拟.pdf

摘要以热管作为传热元件的热管换热器具有传热效率高、压力损失小、工作性能可靠、结构紧凑等优点。但传统的热管换热器存在低温露点腐蚀的严重问题。本文针对新型的可应用于低温系统余热回收领域的夹套式热管及其换热器进行了深入研究，主要完成了以下工作：进行了热管传热特性实验研究，分析了不同热流密度下热管径向、轴向外壁温度的分布。计算了不同充液率条件下热管的传热系数，并根据最小二乘法原理，推导出了热管传热系数与充液率及热流密度的实验关联式。经误差分析，传热系数的系统误差不超过9 2 1 。以计算流体力学软件f l u e n t 为平台，采用多孔介质模型对夹套式热管换热器壳程流场进行三维数值模拟研究。研究发现静压沿烟气流动方向近似呈线性分布，且总压降随着烟气入口流速的增加而增大。采用三种不同的分布阻力关系式进行模拟的计算结果趋势相同，其中t a b o r e k 关系式模拟结果与理论计算结果相对误差不超过8 。为了弥补多孔介质模型不能描述换热器局部详细信息的不足，采用实体模型对夹套式热管换热器的代表性单元进行模拟计算，其计算结果与理论计算结果相对误差为5 4 。分析了不同的结构参数对换热器压降的影响。综合考虑加工、安装、运行等因素，认为换热器翅片高度应小于2 6 5 m m ，翅片间距应大于6 5 m m ，热管横向间距应介于1 0 8 1 1 l m m 之间，热管纵向间距应介于1 2 0 - 1 2 5 m m 之间。关键词：夹套式热管，充液率，传热系数，夹套式热管换热器，数值模拟，压降a b s t r a c th e a tp i p ee x c h a n g e ru s e st h eh e a tp i p ea sh e a tt r a n s f e re l e m e n t ，a n dh a st h ea d v a n t a g e so fh i g he f f i c i e n c y , l o wp r e s s u r el o s s ，g o o dr e l i a b i l i t ya n dc o m p a c ts t r u c t u r e b u tt h et r a d i t i o n a lh e a tp i p ee x c h a n g e rh a st h es e r i o u sp r o b l e mo fd e wp o i n tc o r r o s i o ni nr e c o v e r yo fl o wg r a d ew a s t eh e a t t os o l v et h i sp r o b l e m ，t h eja c k e t e dh e a tp i p ee x c h a n g e ri si n v e n t e d t h i sn e wt y p eo fh e a tp i p ea n dh e a tp i p ee x c h a n g e ri si n v e s t i g a t e di nt h ed i s s e r t a t i o n t h em a i nc o n t r i b u t i o n sa r el i s t e da sf o l l o w s ：t h ee x p e r i m e n t a li n v e s t i g a t i o nw a sc o n d u c t e dt oe x p l o r et h eh e a tt r a n s f e rc h a r a c t e r i s t i c so ft h ej a c k e t e dh e a tp i p e t h et e m p e r a t u r e so nt h eo u t e rw a l lu n d e rd i f f e r e n th e a tf l u xw e r ec o l l e c t e d ，t h ed i s t r i b u t i o no ft h et e m p e r a t u r eo nt h eo u t e rw a l lw a sa n a l y z e da n dt h eh e a tt r a n s f e rc o e f f i c i e n t so fd i f f e r e n th e a tp i p e sw e r ec a l c u l a t e d a c c o r d i n gt ot h ep r i n c i p l eo ft h el e a s ts q u a r em e t h o d ，a ne x p e r i m e n t a lc o r r e l a t i o nw a se s t a b l i s h e dt or e v e a l t h er e l a t i o n s h i pa m o n gh e a tt r a n s f e rc o e f f i c i e n t ，w o r k i n gf l u i dr a t ea n dh e a tf l u x t h es y s t e me r r o ro fh e a tt r a n s f e rc o e 佑c i e n ti sl e s st h a n + 9 21 a d o p tt h ep o r o u sm e d i u mm o d e lt oc a r r yo u tt h et h r e ed i m e n s i o n a ln u m e r i c a ls i m u l a t i o no nt h ef l o wf i e l do ft h eia c k e t e dh e a tp i p ee x c h a n g e ru s i n gt h ec o m p u t a t i o n a lf l u i dd y n a m i cs o f t w a r ef l u e n t , a n du s et h ed a t af r o mf i e l dt e s ta st h eb o u n d a r yc o n d i t i o n s t h ed i s t r i b u t i o no fs t a t i cp r e s s u r ei sn e a r l yl i n e a ra l o n gt h ed i r e c t i o no ft h eg a sf l o w , a n dt h et o t a lp r e s s u r ei n c r e a s e sw i t ht h eg a sf l o wv e l o c i t ya tt h ei n l e t t h es i m u l a t i o nr e s u l t so ft h r e ed i f f e r e n td i s t r i b u t e dr e s i s t a n c e sh a v et h es a n 1 et e n d e n c ya n dt h er e l a t i v ee r r o ro fs i m u l a t i o nr e s u l tf r o mt a b o r e kr e l a t i o ni sl e s st h a n8 i no r d e rt om a k eu pt h ed e f i c i e n c yo fl o c a li n f o r m a t i o no ft h eh e a tp i p ee x c h a n g e ri nd e t a i lb yu s i n gt h ep o r o u sm e d i u mm o d e l ，t h es o l i dm o d e lw a sa d o p t e dt oc a l c u l a t et h er e p r e s e n t a t i v ev o l u m ee l e m e n to ft h ehh e a tp i p ee x c h a n g e r t h er e l a t i v ee r r o ro f t h es i m u l a t i o nr e s u l ti s5 4 r q一ln ei n t l u e n c eo ip r e s s u r ed r o pf r o mt h ed if f e r e n ts t r u c t u r ep a r a m e t e r so ft h eh e a tp i p ee x c h a n g e rw a sa n a l y z e d t h ef a c t o r so fp r o c e s s ，i n s t a l l a t i o na n do p e r a t i o nw e r ec o m p r e h e n s i v ec o n s i d e r e d ，s ot h er e s u l t sw e r eg o t t e na sf o l l o w s t h ef i nh e i g h ts h o u l db el e s st h a n2 6 5 m m ，t h ef i ns p a c i n gs h o u l db em o r et h a n6 5 m m ，t h et r a n s v e r s es p a c eo fh e a tp i p es h o u l db e t w e e n10 8a n d11 lm m ，t h el o n g i t u d i n a ls p a c eo fh e a tp i p es h o u l db e t w e e nl2 0a n d12 5 m m k e yw o r d s ：j a c k e t e dh e a tp i p e ，w o r k i n gf l u i dr a t e ，h e a tt r a n s f e rc o e f f i c i e n t ，j a c k e t e dh e a tp i p ee x c h a n g e r ,n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ，p r e s s u r ed r o pi i i硕士学位论文符号说明p甜办兄l ，7 7后占g 。g ，qcpdd彳丁r ep rrgc ，口6n符号说明密度，埝m 七速度，m s 一传热系数，w m k _导热系数，w m k 。运动粘度，m 2 s 。1动力粘度，k g m s 一湍动能，m 2 s 。2湍能耗散率，m 2 s 。质量流量，k g s 。体积流量，m 3 s 。热量，w比热，j k g 一k 一热管外管直径，m热管内管直径，m热管长度，m内管横截面积，m 2开氏温度，k雷诺数普朗特数怒赛尔数充液率，热流密度，w m 之待定系数体积多孔度摩擦系数；热管管排数v i原创性声明本人声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了论文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我共同工作的同志对本研究所作的贡献均已在论文中作了明确的说明。作者签名：王仁军l 一日期：肆年月盟曰学位论文版权使用授权书本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留学位论文并根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内容，可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论文。同时授权中国科学技术信息研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库，并通过网络向社会公众提供信息服务。作者签名：王聋一鹭埏导师签名日期：盟年月卫日硕士学位论文第一章绪论1 1 热管概述第一章绪论1 1 1 热管的工作原理及分类热管是一种新型的传热元件，以内部工质相变和连续工质循环实现热量传递，因此具有较高的传热效率。热管内部传热过程包括两相流和相变，故传热机理十分复杂。热管按工质回流动力分为l l j ：( 1 ) 标准热管又称吸液芯热管。它是一种典型热管，依靠毛细抽吸力回流工作液。吸液：藩热管由管壳、端盖、吸液芯、管内工质组成。当热源对其一端供热时( 蒸发端) ，工作液自热源吸热而汽化，蒸汽在压差作用下，高速流向另一端( 冷凝端) ，向冷源放出潜热而凝结，凝结液在吸液芯毛细抽吸力作用下，从冷源端返回热源端完成连续循环。通过这种“蒸发传输一冷凝”过程，如此往复，便把热量不断地从热源端传至冷源。其工作原理如图1 - 1 所示。嘲、j：缁三i图1 1 标准热管工作原理示意图图1 2 重力热管工作原理示意图1 工质蒸汽2 工质液体3 热管壳体4 毛细吸液芯1 工质蒸汽2 工质液体( 2 ) 重力热管又称两相热虹吸管。它依靠重力回流工作液。这是工业应用中最常见的一种热管，工作原理如图1 - 2 所示。该种热管内没有毛细吸液芯，液体依靠重力回流。由于不需要吸液芯，重力热管制造工艺简单，生产成本低廉，工作可靠，传热效率高，有较高的临界热流密度。同时具有优异的导热性，理想硕士学位论文第一章绪论的等温性，传热方向不可逆性，两侧热阻可调性等特点。重力热管又分为三种形式：1 ) 闭式重力热管，此热管的管壳为单管型且密闭，常用的为两相闭式重力热管。2 ) 开式重力热管，由于重力场的特殊性，出现了与外界相通、不封闭的开式重力热管。3 ) 回路型热管，蒸发段与凝结段被分开，专门的汽液导管连通两个工作段，形成工质的闭合循环回路，凝结液仍借助于重力回流。此外还有依靠毛细抽吸力和重力回流工作液的重力辅助热管，依靠离心力回流工作液的旋转热管，靠极化电流体动力学回流工作液的电流体动力学热管及靠电渗透压力回流的电渗透热管等。热管按热管工质的温度分为：( 1 ) 高温热管。工质温度在5 0 0 以上，所用工质为银、钠、汞和钾等。由于这种热管成本高昂，所以均用于一些有特殊要求的场合，如在热离子发电装置中的应用及硬模铸造方面的应用等。( 2 ) 中温热管。工质温度为1 0 0 5 0 0 ，常用工质为水、导热姆等。其中水是最理想的工质，它性能优良，价格便宜，易于得到，但最高使用工作温度不能高于3 1 0 。而在3 0 0 5 0 0 温度范围尚缺理想工质，所以对萘、硫及多组元工质的研究工作各国均正在进行中。这种热管大部分用于工业余热的回收。( 3 ) 低温热管。工质温度低于1 0 0 ，所用工质多为低沸点的工质，如氨、乙醇和各类氟罩昂等。这种热管常用于空调及低温余热回收、电子器件及轴承散热。热管按管壳与工作液体的组合方式划分为：铜一水热管、碳钢一水热管、铜钢复合一水热管、铝一丙酮热管、碳钢一萘热管等。除此之外，热管还可以按结构分为单管热管、回路热管、平板型热管、微型热管、径向热管、分离式热管等；特殊热管如可变导热管、等温炉、黑体炉中使用的均温热管等。1 1 2 热管的应用与研究现状世界上最早的一项热管专利是1 9 4 4 年由美国俄亥俄通用发动机公司的g a u g l e r 以“传热器件”的名称提出的。6 0 年代至7 0 年代，是现代热管原理及概念的提出及在空间飞行中的成功应用阶段，同时重力热管的应用也更为广泛。1 9 6 3 年g r o v e r 在他的专利中正式提出“热管”的命名，并于1 9 6 4 年首次公开他们的实验结果【列。1 9 6 5 年c o t i e r 首次较完整的阐述了热管理论【3 l 为以后的热管研究工作奠定了极为重要的基础。1 9 6 7 年美国国家实验室将热管技术应用于卫星2硕士学位论文第一章绪论温控系统，成功的证实了热管在无重力条件下运行的可靠性。1 9 6 9 年，日本已有带翅片热管束的空气加热器，用来回收工业排气中的热能。从1 9 8 6 年起，美国多次利用航天飞机开展毛细泵回路热管空间飞行实验，并首次应用在1 9 9 9 年1 2 月发射的地球观测卫星的三套科学仪器上。1 9 7 2 年我国成功研制了第一根钠热管，为发展空间技术，又相继成功研制了高温液体金属热管和低温氨热管。此后，热管研究从探索阶段转入推广应用和新型热管开发阶段。从1 9 8 4 年起，我国开始参加国际热管会议，并先后成功的举办了第八界、第十界和第十三界国际热管会议。国内许多院校、科研机构都开展了对热管的研究，如南京工业大掣4 、中科院空间技术研究院1 8 , 9 , 1 0 j 、重庆大学l1 1 , 1 2 】、西安交通大学【13 1 、大连理工大学等。其中，南京工业大学的庄骏，中科院空间技术研究院的侯增琪、马同泽等通过大量的实验研究，取得了丰硕的研究成果。随着科技的发展，热管技术在新能源的开发、化工及石油化工、建材及纺织工业、冶金工业、铁路建设、动力工程、微电子装置开发及太阳能利用等领域都得到了广泛的应用。特别是在能源的开发及合理利用方面，热管具有广阔的前景1 1 5 】。热管在我国主要应用在以下几个方面：( 1 ) 在余热回收领域的应用。目前国内7 0 一8 0 的热管产品应用于余热回收，从工业炉窑、工业锅炉到石油化工加热炉、电站锅炉、空气预热器等，类型多样，效果显著。考虑成本的因素，工业余热回收利用中，所使用的热管绝大多数属于碳钢一水重力热管。( 2 ) 在电子设备中的应用。由于芯片的集成度越来越高，外管尺寸越来越小，功耗越来越大，导致热流密度持续增大。脉动热剖】、毛细泵回路( c p l )和分离式微型热管等的出现很好的解决了这一问题。目前己成功的将微型热管散热器应用于大功率电子管、大规模集成电路、可控硅元件等的散热。( 3 ) 空间技术上的应用。在大型航天器热控设计中大多数采用液体回路和热管式辐射器相结合的热传输排热复合系统向空间排散废热【l 一1 。c p l 因其小温差传热、汽液流向相同、体积小等特点，更符合未来空间技术温控系统的发展趋势。1 1 3 夹套式热管的结构及特点夹套式热管属于重力式热管，但结构上与传统重力式热管有很大区别。传统重力式热管是在轴向方向上传热，而夹套式热管为同轴径向传热，其结构示意图如1 3 所示。3硕十学位论文第一章绪论图i - 3 夹套式热管结构示意图1 外管2 工质3 内管4 冷却水此种热管由内管、外管以及内外管之间的一定量的工质组成，内外管之间充满液态工质的部分称为液池。热管元件水平放置，内部的工质处于真空状态，两端绝热。工作的时候，外管吸收烟气热量，内部的液态工质蒸发变成蒸汽，蒸汽释放热量加热内管中的给水，同时凝结成液体。即当外管壁受热持续时，热源通过外管不断向热管输入热功率，热管吸收的热功率一部分通过液体工质的蒸发作为潜热将热量带走，另外一部分作为显热被蒸汽工质吸收，饱和蒸汽通过和管壁对流换热吸收热量成为过热蒸汽。内管为冷凝表面，其附近的蒸汽温度接近饱和蒸汽的温度，因而在外管与内管会形成温度差，温度差使过热蒸汽从外管向内管流动，并在内管冷凝放热，将热量传给内管，最后经内管中的水将热量带走。冷凝的水珠汇集到足够量时在内管壁形成一层液膜，滴落到液体工质中，液体工质吸热再次蒸发，如此往复循环，使烟气的热量源源不断地加热给水。热管以相变传热的方式进行工作，传热效率高。为了增大传热面积，提高传热效率，外管经常装设翅片。同轴径向传热热管在传热性能上较轴向传热热管有许多优点：首先，同轴径向传热热管具有高度的等温性能。就轴向传热热管而言，当工作介质沿轴向流动时，就将热量沿轴向从加热段向冷却段传递，因管子横截面的限制，当传递高密度热流时，在热管轴线方向上，由于蒸汽流速高和压缩性的影响，沿热管蒸汽通道长度上就有明显的不等温性。而对同轴径向传热热管就没有这种限制，因为其工作介质蒸汽流通横截面大、蒸汽流速低、蒸汽流动距离短、摩擦损失小，因此同轴径向传热热管具有高度的等温性能。其次，同轴径向传热热管传热功率大。在稳定工况下，从热管加热段向冷却段传输热量的连续传递过程是在热管工作介质的饱和线上进行的，即正常工作时，热管内部汽一液两相共存。虽然同轴径向传热热管的轴向长度较长，可达好几米，但这种热管中工作介质汽流运动距离只有几厘米( 加热段汽化表面与冷却4硕士学位论文第一章绪论段冷凝表面的距离) ，汽相流动的压力损失很小，而且沿热管工作介质汽流方向径向传热热管的径向横截面要比轴向传热热管的轴向横截面要大得多，因此径向传热热管就有可能比轴向传热热管传递更多的热量。再者，径向传热热管要比轴向传热热管容易启动。特别是对于常温下，工作介质为固体的热管，如钠、钾、萘等热管，启动时，由于径向传热热管所有加热段表面立即受热，全部冷的工作介质能同时受热熔化，而且工质蒸汽流速低，流动距离短，大大降低了启动温度，缩短了启动时间，并消除了加热段有可能出现的过热现象。当前国内对此种夹套式热管有了初步研究，虞斌、朱亚军1 1 8 】等对不锈钢一钠热管的启动性能以及工作温度特性进行了较系统的实验研究。研究结果表明，此种热管启动快，重复稳定性能好，且具有高度的等温性能和较大的传热功率。1 2 热管换热器概述1 2 1 热管换热器应用与研究现状利用热管能方便地在热源与冷源之间实现热传递，把若干支热管组装成一体，便成为热管换热器。热管换热器就其结构形式可大体分为：静止型、回转型、移动层型三种类型。其中静止型热管换热器是最常见的一种，其整个热管换热器装置中无运动部件，是一种典型的紧凑式换热器。余热是在一定经济技术条件下，在能源利用设备中没有被利用的能源，也就是多余、废弃的能源。它包括高温废气余热、冷却介质余热、废汽废水余热、高温产品和炉渣余热、化学反应余热、可燃废气废液和废料余热以及高压流体余压等七种。根据调查，各行业的余热总资源约占其燃料消耗总量的1 7 6 7 ，可回收利用的余热资源约为余热总资源的6 0 。工业余热低品位性及存在的普遍性，要求换热器能在小传热温压下传输大热流量，热回收率高，流阻小，还要求结果简单、紧凑、经济，并能妥善处理低温腐蚀问题。而热管换热器与常规换热器相比，有输热能力大、均温性能优良、传热方向可逆、阻力损失小、安全耐用等很多优点，能最大限度的回收低品位余热，因此热管换热器在余热回收方面发挥了重要的作用。热管换热器作为一种新型的高效换热器，是2 0 世纪7 0 年代随着热管技术的开发而发展起来的。由于热管换热器在传热领域尤其在余热回收领域起着不可估量的作用，在过去的几十年旱，对热管换热器传热性能的研究一直是国内外许多学者关注的课题。1 9 7 6 年a m o d e $ 1 f e l d m a n 首先对热管换热器总传热量进行了理论预测研究。同年，f e l d m a n 和l u l l 9 l 应用对数平均温差( l m t d ) 法预测了碳钢水热管换热5硕十学位论文第一章绪论器总传热性能，并通过实验研究分析了热管直径、蒸发段与冷凝段长度、换热器布置方向、热管管束几何布置、翅片间距、翅片高度、翅片数对热管换热器性能的影响。分析结果表明：随着热管长度与管排数增加，换热器传热能力增强；错排管束布置的热管换热器较顺排管束换热器传热能力强；随管径增加、翅片高度减小热管换热器传热能力增强。p e r e t z 和b e n d e s c u l 2 0 1 于1 9 8 3 年运用传热有效度传热单元数法( g _ n t u )研究了热管换热器的几何结构对其传热性能的影响，得出翅片间距对热管换热器的性能有着显著的影响。1 9 8 4 年，p e r e t z 和h o r b a n i u c l 2 1 】考虑了有关参变量的非线性特征，对管间距、翅片间距以及热管的蒸发段和冷凝段长度进行优化，也得出了翅片间距对热管换热器的性能有着显著影响的结论。八十年代初，我国相继开发了热管气一气换热器，热管余热锅炉，高温热管蒸汽发生器等产品。九十年代，国内的学者对热管换热器的研究取得了进一步的进展和突破，对热管换热器的工程设计和制造技术已趋于成熟。胡建根等1 2 2 l 对大型热管空气预热器设计中热管外径选择进行了研究，给出了大型热管空气预热器性能随热管外径变化的整体影响规律，这对大型热管空气预热器的设计具有一定的参考价值。刘志敏等t 2 a l 弓i 入了1 3 个参数量，以工程初投资回收年限最短为目标函数，考虑了边界约束条件和性能约束条件，建立了电站锅炉热管空气预热器的优化设计模型，并编制了组合型离散变量优化算法程序。另外南京化工大学、兰州石油机械研究所、中科院能源研究所、上海7 11 研究所等科研院校，都为热管换热器的开发和应用做出了很大贡献。近年来，随着高速计算机的发展，计算流体力学( c o m p u t a t i o n a lf l u i dd y n a m i c s ) 成为继实验和解析之后又一种研究流体流动和传热的方法，并与计算传热学、计算燃烧学、计算物理化学等多种学科相结合，产生了一门新技术，即c f d 技术1 2 4 】。目前己广泛的应用于各种工程领域，该方法比起传统的实验研究具有重复性好、速度快、消耗少、信息量大的特点。换热器的研究方向也随之转向数值模拟为主1 2 5 l ，并结合实验数据进行验证。该方式可大大缩短换热器的研究开发周期、降低费用。英国的两位著名教授s v p a t a n k a r 和d b s p a l d i n g 最早应用c f d 技术对管壳式换热器进行数值模拟研究1 2 6 1 。为了研究壳程的固体表面( 包括换热管、折流板、分程隔板等) 对流体流动及有限空间大小的影响，提出了分布阻力和多孔介质孔隙率概念1 2 7 ，2 8 1 。采用此概念来处理壳程流体流动既可以使复杂的流动方程得以简化，同时又保留了用微分方程形式来描写壳程流体流动与换热的特点，是一种有效的方法。19 8 2 年w t s h a 提出了表面渗透度的概念，采用两方程紊流模型对一蒸汽6硕十学位论文第一章绪论发生器内壳侧流动进行了二维数值模拟分析，并采用分布阻力方法对蒸汽发生器壳侧的流动进行了三维模拟。在该研究中，w t s h a 还通过实验验证了该计算模型的可行性。c a r l u c c i 采用一般的k 一占湍流模型对反应堆堆芯进行了二维模拟。f r i s i n a 采用分布阻力方法对管壳式换热器进行了二维模拟，并对壳侧密封条和管子的位置进行了优化布置。近年来，在国外学者研究的基础上，我国学者在换热器数值模拟方面做了一些探索性的工作。谢永宏、郭方中等建立了紧凑换热器的多孔模型，并提出了建立此模型的基本前提和方法1 2 9 j ；王定标、董其伍等采用数值模拟方法研究了纵流壳程换热器各结构参数的变化对其传热性能和流动性能的影响，并得出纵流壳程换热器层流下的传热和流动阻力的准数关联式f 3 0 l ；聂建虎，陶文铨等对封头及出口管嘴中的流场进行数值模拟，得出了出水管段的阻力系数等一系列结果，并研究了入口挡板对出水管中流场均匀性的影响1 3 1 】；黄兴华、王启杰等使用多孔介质模型对实验用管壳式热管换热器壳程单相流动和传热进行了三维数值模拟，得出了壳程流体流动和传热的分布规律【3 2 , 3 3 1 ：邓斌、陶文铨采用各向异性多孔介质模型对管壳式换热器壳侧的流动进行了数值模拟，着重分析了管壳式换热器壳侧的湍流流动特性1 3 引。国内外对管壳式换热器的数值模拟研究已有许多成熟的理论和研究方法，然而至今为止，对热管换热器的数值模拟研究还较少。孙世梅、张红【3 5 , 3 6 】首先通过大型c f d 计算软件- - f l u e n t 对热管换热器内流体流动与传热进行了模拟研究，并与占n t u 法的计算结果和实验数据进行了比较，结果表明数值计算结果与实验测试结果吻合较好，而f - n t u 法计算值与实验测试结果偏差较大，较好的说明了采用数值计算方法预测热管换热器传热性能的可行性。1 2 。2 热管换热器的酸露点腐蚀问题统计数据显示，国内工业余热总资源约占燃料消耗总量的1 7 - - - 6 7 。其中，中低温烟气余热大约占烟气余热资源的一半左右。但是，我国中低温废气余热的回收利用率较低，特别是对于2 5 0 以下的低温烟气，由于设备易产生低温腐蚀，换热器使用寿命短等原因，大量低温余热资源没有回收利用，导致企业产品单位能耗过高、生产成本增加，不仅浪费能源，而且造成更为严重的环境污染问题。烟气中硫酸蒸汽的凝结温度称为酸露点。由于金属壁低于酸露点而引起的腐蚀称为低温腐蚀。形成原因如下：当燃料燃烧时，燃料中所含的硫分将会与氧化合，生成二氧化硫。s + 0 2 = s 0 2( 1 - 1 )在高温区，s 0 2 再被氧化：7硕 学位论文第一章绪论s 0 2 + 寺0 2 = s 0 3( 1 - 2 )z生成三氧化硫，也会有少许硫化物直接生成s 0 3 。在低温区，三氧化硫与水蒸气发生反应：s 0 3 + h 2 0 = h 2 s 0 4 ( 蒸汽)( 1 3 )烟气中硫酸蒸汽本身对换热器的工作影响不大，但当它在壁温低于酸露点的壁面上凝结下来时，就会对设备壁面产生严重腐蚀作用。烟气对受热面低温腐蚀常用酸露点的高低来表示，露点愈高，腐蚀范围愈广，腐蚀也愈严重。其腐蚀速度与会属壁面温度有很大关系，如图1 4 所示。世刿嚣健壁温e图i - 4 腐蚀速度与壁面温度的关系由图1 4 可见，随着金属壁面温度的降低，出现了两个严重腐蚀区和两个相对安全区。对于一定的煤种及运行方式，腐蚀曲线也是一定的。对于一般的管式空气预热器采用诸如提高排烟温度和热风再循环以及暖风机提高入口风温等措施，可以避开第一个严重腐蚀区，但是，第二个严重腐蚀区是难以避免的。在低温余热回收领域，传统的热管换热器壁面温度难以提高，烟气容易在低温壁面上发生冷凝，生成酸液，对壁面材料进行腐蚀。一旦蚀穿，此根热管即报废。如果酸液蚀穿中隔板，冷热流体掺混，必将给生产造成重大影响。如何较好地解决露点腐蚀问题，一直是关注的焦点之一。1 2 3 夹套式热管换热器的结构及特点目前应用的热管换热器，按其结构大致可分为整体箱体式和分离套管式两种，分析这两种结构的热管换热器，存在下列不足之处：( 1 ) 现有气一液相热管换热器所使用的热管是重力热管，即轴向热管。这种热管是靠重力沿着管子轴向实现传热介质的蒸发冷凝一蒸发循环，工作状态下受热段必须在管子的下部，放热段则必须在管子的上部。重力热管若水平设置就难以实现热量的传递。因此重力热管组成的热管换热器多用于水平方向流动的流体换热，在垂直流动的流体中就很难应用。8硕十学位论文第一章绪论( 2 ) 重力热管系轴向导热，不凝性气体易聚集在放热段的端部，等温性能受到影响，降低了热管的传热性能的同时容易出现“冷区”而造成露点腐蚀。( 3 ) 重力热管换热器工作时，冷、热流体的流动必须平行错开布置，无法实现交错重叠流动，这将使设备的有效长度增加，占据的空问较大。( 4 ) 从制造工艺上分析，分离套管式热管换热器的焊接点较多，整体箱体式热管换热器在管板处的密封又很困难。这两种结构的热管换热器都易出现泄漏现象，从而造成很大的经济损失。( 5 ) 整体箱体式热管换热器承受水侧压力的能力低，分离套管式能承受较高的水侧压力，但水路布置比较复杂，造成水侧阻力增大。随着热管换热器应用的不断扩大，上述缺点阻碍了其在各领域中的应用和发展。南京工程大学七一一所在对单根夹套式热管进行了机理研究及传热性能实验的基础上，研制出了夹套式热管换热器，巧妙地解决了一直困扰着工业界的酸露点腐蚀问题，减少了大量的经济损失1 3 7 j 。以夹套式热管为基本换热元件的夹套式热管换热器中热管均为水平设置，各热管问既可在垂直方向、也可在水平方向串接或并接，各热管间互相平行，进出水接口均在换热器外。烟气自上而下与热管呈垂直方向流动，烟气与热管管束的外表面进行热交换，热管内的工质被汽化，与热管内管中的给水进行热交换，工质冷凝后重新成为液态，这样周而复始地循环，其结构示意图如图1 5 所示。1图1 5 夹套式热管换热器结构示意图1 烟气入口2 右端隔板3 烟气出1 2 14 夹套式热管元件5 给水入1 ：26 左端隔板7 给水出口央套式热管换热器在余热回收设备上的应用较其它的热管换热器有诸多优占1 3 8 1 ( 1 ) 夹套式热管热侧的面积远大于冷侧的面积，可有效提高烟气侧壁面温9硕+ 学位论文第一章绪论度，防止露点腐蚀。且热管内汽、液两相处于饱和平衡状态，在夹套式热管的轴向形成了一个传热传质的循环，使得热管的外壁能够维持良好的等温性，防止出现局部“冷区”，从而避免低温腐蚀。( 2 ) 热管的热侧( 烟气侧) 和冷侧( 水侧) 是分别在独立的腔体中，因此两种流体可以很好地隔离。当一根热管的一侧管壁有穿孔时( 可能由于磨损和腐蚀) ，只有管内少量工质外泄，冷、热两种流体不会串通，只是传热效率降低，仍可继续使用，无需停车，这将大大提高设备的可靠性，确保长周期运行。如果大面积基管均被损坏，这时再考虑更换。( 3 ) 传统的热管换热器需要烟箱和水箱两部分，这样的结构使得换热器体积较大。而夹套式热管换热器中的热管元件水平放置，结构紧凑，支撑简单，布置方便灵活。当处理相同烟气量时，此种换热器的体积比传统热管换热器少3 0 0 0 , - 4 0 ，设备质量比轴向热管换热器轻1 5 3 0 。( 4 ) 普通热管换热器的冷侧圆筒需开排孔，组焊后焊接应力大，易产生应力腐蚀形成泄露。并且冷侧圆筒压力相对较高，均属压力容器范畴，制造检验难度相应提高，制造成本也相应提高。而央套式热管换热器水从内管走，设备不再是压力容器，对设备的安全管理也简单。且水管的焊接点均在换热器外侧，维修方便。综上所述，央套式热管换热器很好的解决了酸露点腐蚀问题，有着优异的性能和广阔的市场前景。1 3 课题的基本情况1 3 1 课题研究背景在我国，各地的大型能耗企业如冶金行业的钢厂、铝厂，石化行业的化工厂，硅酸盐制造厂以及供暖系统的锅炉排放的大量高温烟气已逐渐被回收利用，但是大量中、低温烟气仍然被直接排放到大气中。这样既浪费能源又加剧了温室效应、环境污染，因此有必要对这一部分能源进行回收利用。由于烟气中含有相当量的酸性气体成分，如s 0 2 、s 0 3 、n 0 2 等，这就要求余热回收设备有较高的抗腐蚀能力，在工作温度较低临近酸露点时，换热设备能够克服露点腐蚀，延长换热器使用寿命。因此，在传统热管换热器的基础上，丌发出了一种新型热管换热器一一夹套式热管换热器。夹套式热管不仅是一种热管形式上的改变，更是一种热管理论的突破【3 9 1 。该热管与传统热管在工作过程上有较大的差别，为了更清楚的了解其传热机理，从而更好的指导工业设计与应用，对夹套式热管的理论研究显得尤为重要。目前，国内对此种热管技术进行的系统理论研究尚少，针对这一现状，进行夹套式热管l o硕+ 学位论文第一章绪论传热特性实验研究和换热器壳程流场数值模拟，为优化设计和工程应用提供依据，具有重要的理论意义和应用价值。1 3 2 课题来源及主要研究内容课题来源于中铝股份有限公司广西分公司氧化铝厂“气态悬浮炉烟气余热利用 及湖南省科技厅“中低温烟气余热利用关键技术研究”项目。中南大学能源科学与工程学院与中铝股份有限公司广西分公司于2 0 0 5 年8月对广西分公司氧化铝厂焙烧车间气态悬浮焙烧系统进行了热平衡测试，其烟气出口温度达1 9 0 。为了有效回收烟气余热，中南大学成功研发了以夹套式热管换热器为主体设备的烟气余热回收系统，并已获得专利技术。该系统投入运行以来，已产生显著的社会和经济效益。本课题以该烟气余热回收系统中的央套式热管换热器为研究对象，主要进行以下几方面的研究工作：( 1 ) 搭建夹套式热管实验平台，通过对不同充液率下热管传热特性的实验研究，获得热管传热系数与充液率及热流密度的实验关联式。( 2 ) 采用多孔介质模型对夹套式热管换热器壳程湍流流动进行三维数值模拟。并运用不同阻力模型，研究壳程流体静压和总压降的分布规律，确定额定压降条件下换热器最佳烟气流速。( 3 ) 运用相关理论对夹套式热管换热器壳程局部流场进行三维数值模拟研究。并分析换热器不同结构参数对流体静压及流线分布的影响规律。硕七学位论文第二章夹套式热管传热性能实验研究第二章夹套式热管传热性能实验研究夹套式热管换热器的热阻主要由热管热阻、翅片和空气间对流传热热阻、接触热阻等几部分构成。其中热管的热阻最复杂，也是整台换热器传热效果好坏的关键所在m ，本章针对单根夹套式热管进行不同充液率条件下热管传热性能实验研究。2 1 实验系统设计根据实验要求，加工制作了结构尺寸相同，充液率分别为2 0 、3 0 、4 0 、5 0 、6 0 的碳钢一水夹套式热管。实验系统由热管、加热系统、冷却系统、测量系统及保温系统组成，如图2 1 所示，热管元件如图2 2 所示。234图2 - 1 实验系统原理图1 温度记录仪2 热电偶3 稳压器4 调压器5 电源6 冷却水入1 2 管7 流量计8 热管元件9 水池l o 冷却水出水管2 1 1 加热及冷却系统( 1 ) 加热系统主要由调压变压器、稳压器、电阻丝、多档量程电压表( 07 5 v ，卜1 5 0 v ，卜3 0 0 v ) 、多档量程电流表( 卜1 q a ，o 一弓o a ) 、玻璃纤维布组成。电源先由接触调压器调压，再经单相净化交流参数稳压器稳压，最后通过接线端子接到电加热丝。镍铬电阻丝具有电阻率大【4 l l 、耐热性能好，高温下强度较高，冷却后无脆性、稳定性好、费用低的优点，本次实验采用缠绕镍铬电阻丝的方式来对热管进行加热。为保证热管各部分受热均匀，将直径为o 3 m m 的镍铬丝均匀的缠绕在1 2硕士学位论文第二章夹套式热管传热性能实验研究热管外壁的绝缘层上，总电阻大约为8 0 q 。为防止加热电阻丝与热管直接接触造成短路事故，实验过程中在热管外壁包有玻璃纤维布绝缘层。l - - - - - - - - 一冷却水出口5 * 2 5f呖j fi j ，i ii i1 1 l、啦一i u l 卜fj 划1 7 j j ? jj ，vl tk。，l j ? l ，u l7 7 7 7 7 ，7 7 ) 7 ，) ，7 l7 ，7 ，? l日，：0 憋：。? - + 卜。1灯一一阶爿ir ，1j ，1 ，j ，ji ，i ，i ，l i ，1 ，卜目j 。一_ 僭?。j。：fiji 弋- ：5nk 厂卜i l 、i i 臣0f i 、l、。j3 0 0 1 i iii i”i i三-1 0 0 0911 0 0一一冷却水入口图2 - 2 热管元件示意图1 热电偶2 盲端内凹管3 电加热丝4 玻璃纤维布5 外管6 热管封头7 内管8 保温层9 热管工质( 2 ) 冷却系统的组成与一般传统的轴向热管不同，夹套式热管的工质充装在内外管之间的环行腔中，由外管外壁加热，而内管中通冷却水。冷却水流经过转子流量计后，进入夹套式热管的内管，在内管中与内管壁发生热交换后，由内管另一端流出。实验中冷却水采用自来水，通过调节开关，控制流量为1 0 l h 。2 1 2 测量系统实验的测量参数主要包括热管外壁、热管工质及冷却水进出口处温度的测量、加热功率的测量和冷却水流量的测量。( 1 ) 在工程和科学实验中测量物体的温度，需根据物体的材料性质、大小、形状和测温的范围不同，选用不同的测量方法，常用的有接触式和非接触式两种【4 2 1 。由于接触式测量方法具有热接点小，热损失少，测温范围大，精度较高的优点，本实验采用接触式铠装镍铬一镍硅热电偶对温度进行测量。热电偶分度号为k ，规格为0 5 x 1 0 0 0 r n m ，精度等级为1 级。该种热电偶的测量范围宽，热电势一温差关系线性好，铠装机械强度高，可弯曲使用，能够满足实验的要求1 4 3 】。热电偶测温点轴向分布位置如图2 2 所示，径向分句位置如图2 3 和图2 - 4 所示，测点标记如表2 1 所示。为迅速快捷的将温度信号值读取并存储，采用了无纸记录仪实时采样的方法。实验中由铠装热电偶输出的信号，输入到d x 2 3 0 1 3 型无纸记录仪中，通1 3硕+ 学位论文第二章夹套式热管传热性能实验研究过显示屏实时显示温度数值，同时将数据以d d s 格式存储到软盘中，该格式文件可用d a q s t a n d a r d 软件打开并转换成e x c e l 格式，从而为后期数据处理提供依据。表2 i 热电偶测点标记2图2 - 3 测外壁温度的热电偶截面分布图1 , 2 ，3 ，4 热电偶图2 - 4 测工质温度的热电截面偶分布图1 2 热电偶( 2 ) 电功率的测量采用电压表和电流表，电源插座限流2 5 a ，超过该值能自动保护性跳闸，避免短路和过热烧毁电路。输入的电加热功率大小可以通过调节电压调压器的输入电压来调节，电压的调节范围为0 2 5 0 v ，对应的电加热功率为0 - 7 8 1 2 5 w 。( 3 ) 冷却水流量的测量采用一台玻璃转子流量计【4 4 1 。该流量计外形小巧而且带有调节阀，可用来测量各种气体、液体和蒸汽的流量，适用于中、小流量范围。2 1 3 保温系统考虑到热管对外界环境的散热会造成很大的实验误差，故在热管外壁缠绕好电阻丝后，再在热管外壁紧密的包裹一层保温材料，以尽可能的减少i 句j l - 界的散1 4硕士学位论文第二章夹套式热管传热性能实验研究热。对于保温材料的选择，遵循这样的原则：选择容重轻、导热系数低、极限使用温度高、具有一定的机械强度、施工方便、价格便宜、来源丰富的材料1 4 m 。本实验选择超细玻璃棉毡作为试样外围保温材料。此种材料具有密度小、热绝缘性和吸声性能好、耐腐蚀、不怕虫蛀、耐热、抗冻、抗震、价格低廉的优点，是种质轻、高效、耐久、经济的保温材料。超细玻璃棉毡又分为有碱和无碱两种，有碱是指其玻璃制品中含有约1 4 8 的氧化钠，一般用于外壁温度4 5 0 以下；无碱是指其玻璃制品中含有约2 以下的氧化钠，用于外壁温度为6 0 0 以下。实验热管壁温约为1 0 0 左右，因此选择有碱超细玻璃棉毡。实验中所使用的仪器仪表的型号和制造厂家如表2 2 所示。表2 - 2 仪器仪表的规格及型号2 1 4 实验步骤( 1 ) 将实验热管水平安装在小型热管实验台上，安装时用水平仪校准。固定热电偶，并将其与无纸记录仪连接，调试温度测量系统。用玻璃纤维布包裹热管后，将电阻丝均匀缠绕于热管外壁。用万用表检查加热丝与热管是否导通，如果导通则要查明原因，消除事故隐患。再包裹一层厚度为3 0 m m 的超细玻璃棉毡作为保温层。( 2 ) 开启电源，壁面温度上升到1 3 0 1 4 0 时，打丌冷却水开关，并根据需要的输入功率调整变压器的输出电压。( 3 )