（化工过程机械专业论文）高温热管换热器的模拟优化研究.pdf

南京工业大学硕士学位论文 摘要 、高温热管换热器是由高温热管、中温热管和常温热管所组成的组合式热管换 热器。作为热管换热器的一种，它不仅具有普通热管换热器的诸多优点，而且由 于其结构的独特性还具有许多其它的优点，可用于诸如商温余热回收、产高温洁 净气体等特殊场合，具有良好的应用前景。但就目前而言，高温热管换热器尚处 二r 试用阶段，有很多地方尚未完善，有待解决。：奉论文主要完成高温热管换热器 模拟计算和优化设计的研究。 ( 在参阅相关文献的基础上，结合一定的理论分析提出了- - j f r p 采用离散型计 算模型，运用有效度传热单元数( e n t u ) 法，通过多次迭代对高温热管换 热器内温度场和流场分布进行模拟计算的方法。为验证模拟计算结果的可靠性， 对一台由2 3 排钠热管、4 3 排汞热管和3 5 排水热管所组成的高温热管换热器进 行了实验研究，测取其在两组不同工况下温度场和流场的分布，与模拟计算结果 进行对比分析，结果表明模拟计算结果和实验结果基本吻合。 论文在提出了两种适用于高温热管换热器的设计方法的基础上，以初投资回 收年限最小为目标函数建立了高温热管换热器的优化设计模型，然后通过对设计 变量之间的相互关系以及它们列传热和压力降的影响程度的理论分析，缩小模型 求解过程的搜索区间，最后采，h 穷举法求解该模型。 ， ! 概而言之，本课题所做的工作为高温热管换热器建立了一套较为完善的设计 计算程序，改进了高温热管换热器的设计，提高了高温热管换热器的经济性，为 高温热管换热器的推广应用奠定了一定的理论基础，同时也为今后从事高温热管 换热器设计的工程人员提供了方便。此外，对高温热管换热器内冷、热侧温度场 和流场分布的模拟计算的实现，为今后高温热管换热器的在线检测、故障分析和 变工况分析提供了一定的理论依据。 v ，关键词：高温热管换热器模拟优化设计 、 一 垒呈墨! 垦垒! ，_ 一 a b s t r a c t t h e h i g h t e m p e r a t u r eh e a tp i p eh e a te x c h a n g e r c o n s i s t so f h i g h t e m p e r a t u r eh e a t p i p e s ，m o d e r a t e t e m p e r a t u r eh e a tp i p e sa n dl o w t e m p e r a t u r eh e a tp i p e s a sak i n do f h e a tp i p eh e a te x c h a n g e r s ，t h eh i g h t e m p e r a t u r e h e a tp i p eh e a te x c h a n g e rh a sn o to n l y t h em e r i t st h a tc o m m o nh e a tp i p eh e a te x c h a n g e r sp o s s e s s ，b u ta l s oi t s o w nu n i q u e v i r t u e s ，s oi th a sab r i g h tp r o s p e c tf o ra p p l i c a t i o n t h eh i g h - t e m p e r a t u r e h e a t p i p e h e a t e x c h a n g e r c a nb eu s e di ns o m e p a r t i c u l a r o c c a s i o n ss u c ha s r e c o v e r y o f h i g h t e m p e r a t u r ew a s t e h e a ta n dh e a t i n go fh i g h - t e m p e r a t u r ec l e a ng a s h o w e v e r ，t h e h i g h t e m p e r a t u r eh e a tp i p eh e a te x c h a n g e ri s s t i l li ni t se a r l ys t a g e ，t h e r ea r es t i l l m a n y f l a w st h a tn e e dt ob e i m p r o v e d f o rt h e h i g h t e m p e r a t u r e h e a t p i p e h e a t e x c h a n g e r i n t h i s p a p e r , s i m u l a t i o n c a l c u l a t i o nm a d o p t i m u md e s i g n f o rt h e h i g h t e m p e r a t u r eh e a tp i p eh e a te x c h a n g e r w e r ec h i e f l yd i s c u s s e d o nt h eb a s i so ft h e o r e t i c a la n a l y s i sa n dl i t e r a t u r es e a r c h ，t h ea u t h o rp u tf o r w a r da m e t h o do fs i m u l a t i o nc a l c u l a t i o nf o rt h eh i g h - t e m p e r a t u r eh e a tp i p eh e a te x c h a n g e r a n d a c c o m p l i s h e d i t b yu s i n g ad i s c r e t ec a l c u l a t i o n m o d e l ，e m p l o y i n g t r a n s f e r u n i t s ( e n t u ) m e t h o da n di t e r a t i o n ，t h er e l i a b i l i t yo ft h em e t h o dw a sv e r i f i e db y t e s t i n gf o rah i g h - - t e m p e r a t u r eh e a tp i p eh e a te x c h a n g e rt h a tc o n s i s t so ft w e n t y - t h r e e r o w so fs o d i u mh e a tp i p e s ，f o r t y t h r e er o w so fm e r c u r yh e a tp i p e sa n d t h i r t y f i v er o w s o fw a t e r t h e r m o s y p h o n s o nt h eb a s i so ft w od e s i g nm e t h o d sf o rt h eh i g h t e m p e r a t u r eh e a tp i p eh e a t e x c h a n g e r , t h ea u t h o re s t a b l i s h e da no p t i m u md e s i g nm o d e lt h a tr e g a r d e dt h es h o r t e s t t i m eo ft h ec o s t r e c o v e r y f o rt h e e q u i p m e n t a st h e o b j e c t f u n c t i o nf o rt h e h i g h - t e m p e r a t u r eh e a tp i p eh e a te x c h a n g e r , a n ds o l v e dt h em o d e lb ye m p l o y i n gt h e e x h a u s t i o nm e t h o d t oa c c e l e r a t et h es o l u t i o n ，t h er e l a t i o n sa m o n g d e s i g nv a r i a b l e s a n dt h ei n f l u e n c eo fe a c hd e s i g nv a r i a b l eo nh e a tt r a n s f e ra n dp r e s s u r ed r o po ft h e f l u i dw e r ea n a l y z e di nt h i sp a p e r ： a st h ec o n c l u s i o n a ni n t e g r a t e dd e s i g np r o g r a mf o rt h eh i g h t e m p e r a t u r eh e a t p i p eh e a te x c h a n g e rw a se s t a b l i s h e d ，w h i c hi m p r o v e dt h ed e s i g nm e t h o da n dr e d u c e d 塑竺! ! ! 望堡! ! 巫型竺! ! 型! 虫! 竖旦! 堡! 堕堡! ! 旦堕! ! 翌型 t h ec o s to ft h ee q u i p m e n t t h es t u d yo fs i m u l a t i o no p t i m i z a t i o nw i l lp r o m o t et h e p o p u l a r i z a t i o no ft h eh i g h t e m p e r a t u r eh e a tp i p eh e a te x c h a n g e ra n df a c i l i t a t et h e f a i l u r ea n a l y s i sa n dt h eo n l i n e d i a g n o s i sf o re n g i n e e r sa n dt e c h n i c i a n s k e y w o r d s ：h i g ht e m p e r a t u r e ，h e a t p i p e ，h e a te x c h a n g e gs i m u l a t i o n ， o p t i m i z a t i o n ，d e s i g n 南京工业大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 热管换热器的发展 热管 i 是一种在小温度梯度下就能把热量从一处传往另外一处的高效传热 元件。由热管所组成的热管换热器1 2 】的兴起和世界能源形势密不可分。能源足发 展生产和提高人民生活水平的重要物质基础。本世纪六十年代术至七十年代初， 世界上一些国家爆发了能源危机，燃料短缺导致燃料费用上涨，严重地威胁着生 产的发展和人民生活的需要，于是，对开发新能源和节约现有能源提出了迫切要 求，从而唤起了人们对余热利用的关注。 在各种可能的余热利用方案中，预热进入炉予的空气、生产热水或水蒸汽即 余热的直接利用通常是最为有效的，但必须经过换热器。由于余热的低品位性及 存在的普遍性，要求余热换热器能在小传热温压下传递大热流量，热回收率高， 阻力小，还要求结构简单、紧凑、经济，并能妥善处理低温腐蚀等问题方能推广、 普及。使用常规换热器往往不能令人满意。它们或是由于传热温压小而体积庞大， 投资昂贵；或是由于换热流程长，阻力大，驱动功耗剧增，运行费用高；或是山 于制造复杂，难以维护：或是由于腐蚀、结垢，危及设备寿命，使其应用受到限 制。而热管换热器以其优良性能较好地解决了上述问题，因此得以发展，并倍受 人们的重视。 从七十年代以来，世界各国相继发展热管换热器这项技术，并己实现了系列 化生产。如美国q d o t 公司丌发的热管换热器和日本古河电器公司设计的热管换 热器都已用于工业口i 。我国自七十年代后期开始研究热管换热器以来，相继开发 成功了气一气热管换热器 4 】、热管蒸汽发生器1 5 】、热管热风炉6 】等高效热管换热设 备，使热管换热器的应用范围从早期的余热回收拓展到电子仪器和设备的散热、 自然能源的利用和化学反应中的应用等方面。 1 2 高温热管换热器的现状和应用前景 近年来，随着高温热管技术的发展，为进一步拓宽热管换热器的应用范幽， 我国热管技术开发人员研制出了一种新型的热管换热器一高温热管换热器，并获 得了国家发明奖，其结构如图1 1 所示。目前，在喷雾干燥领域的应用研究中， 第1 章绪论 冷流体 卜 热i 耗催 卜一 l 挺避 一上q 型j 一一趣鄙哩 j 图1 l 高温热管抉热器不憨图 f i g1 一i s k e t c ho f h i g ht e m p e r a t u r eh p h e 高温热管换热器成功地解决了向喷雾干燥塔提供廉价的无污染高温介质的技术 难题【”。但是，由于在实际生产的长期运行过程中，出现了诸如中温段前几排萘 热管管子破裂、高温段后几排热管处于不工作状态或非正常工作状态等问题，而 使高温热管换热器至今仍处于试用阶段。若能实现高温热管换热器的工业化，那 么将不仅能促进节能技术的进展，而且可解决工业生产的许多难题，如：在合成 氨生产过程中，需将二段转化炉山口的转化气从9 7 5 。c 降至3 6 0 。c ，目前一般利 用传统的废锅技术来实现这一工艺要求，不仅设备需进口，而且常常出现由于汽 水循环受阻造成爆管等事故，如改用高温热管换热器则可有效地晔决这些问题。 还有，若将高温热管换热器用于水泥生产中，不仅可使高温废气高品位余热得以 利用，而且又可保证二次风中的含氧量，使分解炉中的燃料充分燃烧，起到节能 效果。为节省篇i 幅，有关高温热管换热器实现工业化后所能带来的好处，这里不 再一一列举。由此可预见，高温热管换热器必将具有广阔的应用前景，并对工业 生产和节能技术的发展产生重大的影响。 1 3 本文研究的目的和意义 为找到高温热管换热器目前所存在问题发生的原因以及便于今后对高温热 管换热器的设计校核、在线检测和变工况仿真模拟等，本文构造了高温热管换热 器内冷、热侧温度场和流场分稚的模拟计算模型，并在建立了一个高温热管换热 器综合性能测试台的基础上，通过试验研究的方法对模拟计算模型的正确性进行 撇 一 舭 南京工业大学硕士学位论文 了验证。结合模拟计算结果和试验研究现象所发现的问题，本着解决问题、提高 高温热管换热器设计的合理性和经济性以及加快高温热管换热器实现工业化步 伐的目的，对高温热管换热器进行了优化设计研究。 经过本文的研究，不仅为今后高温热管换热器的研究奠定了理论基础，而j i 必将大大姗陕高温热管换热器实现工业化的进程。因此，列高温热管换热器进行 模拟优化研究不仪具有重大的理论研究意义，而且具有重大的经济和社会价值。 第2 章热管及热管换热器 第2 章热管及热管换热器 为了进行高温热管换热器内温度场和流场分布的模拟计算以及实现对高温 热管换热器的优化设计，本章首先简要介绍一下热管及热管换热器的有关知识， 为高温热管换热器的模拟优化研究提供丛础。 2 1 热管 2 1 1热管的结构和工作原理【8 j 就热管普通的结构形式( 如图2 1 所示) 来说，它是一个封闭的管子或简体， 形状可以是各式各样的，其内表面镶嵌着多孔毛细吸液芯。吸液芯内浸满液棚r 质，热管的其余空间则容纳着汽相工质。外热源在蒸发段把热量加进去，伎该段 的工质蒸发，由此造成的微压差把蒸汽从蒸发段驱送到冷凝段，在冷凝段，蒸汽 遇到外热汇产生凝结，并把汽化潜热释放出来传给外热汇。蒸发消耗了液相工质， 结果使蒸发段的液一汽分界面缩进吸液芯表面，从而造成毛细压力。这个毛鱼l i 压 力把凝结下来的液相工质唧送回到蒸发段，重新进行蒸发。就这样，热管连续4 i 断地将热源的热量从蒸发段传送到冷凝段。只要不烧干吸液芯、工质流动的通道 不被阻塞，并维持住足够大的毛细压力，这个过程就将继续进行下去。 管管壳 吸液芯 图2 - 1热管工作原理示意图 f i g 2 1s k e t c ho f w o r k i n gp r i n c i p l eo f h e a tp i p e 2 1 2 热管的相容性和寿命 热管的相容性9 1 是指热管在预期的设计寿命内，管内工作液体同壳体不发生 显著的化学反应或物理变化，或有变化但不足以影响热管的工作性能。相容性在 南京工业大学硕士学位论文 热管的应用中具有重要的意义。只有长期相容性良好的热管，才能保证稳定的传 热性能、长期的工作寿命及工业应用的可能性。 影响热管寿命的因素很多，归结起来，造成热管不相容的主要形式有以下三 方面，即：产生不凝性气体；工作液体热物性恶化；管壳材料的腐蚀、溶解。 通过合理选择热管的管材、工作液体、吸液芯结构等可使热管kj u j 有效地服 役于其工作温度范围，常用热管的工作温度范围与典型的工作介质及相容壳体利 料如表2 一l 所示。 表2 1 常州热管的工竹：温度范围与典型的工作介质及其相容壳体利卡 t a b l e 2 - 1w o r k i n gt e m p e r a t u r er a n g e 、w o r k i n gf l u i da n dc o m p a t i b l em a t e r i a lo fs o m eh e a tp i p e s 利- 类r 。作介质一i 一作温度* c相弈壳体材料 低氨 6 0 1 0 0 销、不锈铡、低碳制 温 氟里昂一2 l ( c h c l 2 f ) 一4 0 1 0 0 铝、铁 热氟里昂一11 ( c c l 3 f )一4 0 1 2 0铝、不锈钢、饲 管氟里昂一l l3 ( c c l 2 f c c i f 2 )一1 0 1 0 0铝、铜 己烷 0 1 0 0 黄铜、不锈钢 常丙酮o 1 2 0铝、不锈钢、铜 温乙醇o 1 3 0不锈钢、铜 热甲醇 1 0 1 3 0 碳钢、不锈钢、铜 管甲苯0290低碳钢、不锈钢、低合金钢 水3 0 2 5 0铜、碳钢( 内壁经化学处理) 由 萘1 4 7 3 5 0铝、不锈钢、碳钢 温联苯 1 4 7 3 0 0 碳钢、不锈钢 热导热姆a 1 5 0 3 9 5 碳钢、不锈钢、侧 管导热姆e 1 4 7 , - - 3 0 0 碳钢、不锈钢、镍 汞 2 5 0 , - - - 6 5 0 奥氏体不锈钢 高钾4001000不锈钢 温铯4001100钛、铌 热钠 5 0 0 1 2 0 0不锈钢、因康镍合金 管锂1 0 0 0 1 8 0 0钨、钽、钼、铌 银1 8 0 0 - - - 2 3 0 0钨、钽 2 1 3 热管的传热极限 热管的传热能力虽然很大，但也不大可能无限地加大热负荷。事实上有许多 因素制约着热管的工作能力。换而吉之，热管的传热存在着一系列的传热极限， 限制热管传热的物理现象为毛细力、声速、携带、沸腾、冷冻启动、连续蒸汽、 蒸汽压力及冷凝等，这些传热极限与热管尺寸、形状、工作介质、吸液芯结构、 工作温度等有关，限制热管传热量的类型是山该热管在某工作温度下各传热极限 的最小值所决定的。如果以热管的工作温度为分析依据，则可得到如图2 2 所示 第2 章热管及热管换热器 的热管最大传热极限示意图1 “l 。 l 甜 蝴 糍 啦 斗 睨7 ，则 ! 二婴! 二丝竺：! ! 二型) 上 1 一r ：e x p - n t u 。q r ：) e s ：世 t j t ? ( 3 5 ) ( 3 - 6 ) 第3 章模拟计算和优化设计 一l ；一l ； 6 一而 ( 3 7 ) 联立上面几式可以得到冷、热流体流经第+ 1 排热管时热流体的进口温度 f ? 川和冷流体的出口温度f ；川为 如果吖 吲，则 川一? = 髻 ，? “1 - ，= 中一p f 7 ) 川一? = 筹 r l a ( j l ) = t 扣牡鼍 ( 3 8 ) ( 3 - 9 ) ( 3 1 0 ) ( 3 1 1 ) 然后依次逐排计算至得到冷流体相划于整台高温热管换热器的进口温度的 计算值。比较冷流体进口温度的实际值和冷流体进口温度的计算值，若满足一定 的误差要求，则认为假定的冷流体的出口温度值就是冷流体实际的出口温度值。 若不满足一定的误差要求，则需进行以下的计算： 娥= 。【日；”一h i ) ( 3 1 2 ) q ；= m 婶；一h i 1 ( 3 1 3 ) 幽：mcw，一j)2 ( 3 + 1 4 ) 这里，饼为冷流体从实际进口温度上升到第h 次假定的出口温度所要吸收 的热量，w ；姘为冷流体从第n 次计算得到的进口温度上升到第n 次假定的出 f ：l 温度所要i 吸收的热量，w ；r 为冷流体第 次假定的出口温度所对应的焓值 j k g ；“为冷流体第n + 1 次假定的出口温度所对应的焓值，j k g ；h i 为冷流 体实际进l j 温度所剥应的焓值，j k g ；j 【，y 为冷流体第 次计算得到的进口温艘 南京工业大学硕士学位论文 所对应的焓值，j k g 。 联立式( 3 - 1 2 ) 、( 3 - 1 3 ) 和( 3 - 1 4 ) 运用牛顿迭代法可得第n + 1 次计算时冷 流体出口温度的假定值，然后重复上面的h 算步骤进行反复计算。直至使冷流体 进l 温度的实际值和冷流体进口温度的计算值的差值满足一定的误差要求为止， 此时所刑应旧冷流体口温_ 【! ! ：的假定值就足模型的第一部分所要求的冷流体n q i5 口温度。 2 、考虑热管本身的一些特性 将模型第一部分计算得到的冷流体山口温度值作为第二部分计算时冷流体 出口温度的初始假定值，然后按如下步骤进行计算。 首先，和上一部分的数学模型一样，利用热量平衡原理和传热方程计算i t j 以 得到冷、热流体流经第j 排热管时热流体的出口温度f 和冷流体的进口温度。 然后根据第2 章中所介绍的热管传热热阻模型可得第，排热管管内蒸汽温度 为： 仁c 型峻丛九半h 警h 华， 根据由式( 3 1 5 ) 计算得到的热管管内蒸汽温度结合第j 排热管管内所充装 的工质种类首先判断第，排热管是否处于订：常工作温度范围。若该排热管管内蒸 汽温度低于其工质工作温度范【列下限，说明其管内工质处于非连续流状态，此时 其传热能力很小，可认为该排热管所传输的热擞为零，即认为该排热管不参与冷 热流体之间的热量交换。 若第，排热管管内蒸汽温度处于其工质工作温度范围内，则先计算其在相应 的管内蒸汽温度下的各传热极限，在高温热管换热器中主要考虑的是声速限、粘 性限和携带限等几个极限，然后将计算得到的最小传热极限和第，排中的单根热 管所要传输的热量进行比较。若前者小于后者，则认为第，排单根热管所传递的 热量为前者，需重新按前者根据热量平衡来计算冷、热流体流过第排热管后的 温度，若前者大于或等于后者，则无须重新计算。按照上述步骤依次往下计算， 直至到最后一排，得到一个新的冷流体的出口温度值，将其和冷流体进口温度的 实际值进行比较，若满足一定的误差要求则认为假定的冷流体的出口温度值就是 冷流体实际的出口温度值，否则和模型第一部分的处理方法一样，求出一个新的 第3 章模拟计算和优化设计 冷流体的出口温度值，按照本部分的上述步骤继续计算，直至使冷流体进1 2 1 温度 的实际值和冷流体进口温度的计算值的差值满足一定的误差要求为止，此时所剥 应的冷流体出口温度的假定值就是所要求的冷流体的出g l 温度。 最后根据上述步骤计算所得到的冷、热流体流过各排后的温度，结合第2 章 中所描述的热管换热器的传热计算模型，计算高温热管换热器内各排热管的管壁 温度、管内蒸汽温度和传输功率，冷、热流体流过各排时的工况流速以及冷、热 两侧总的压力降和总换热量。 3 1 3 模拟计算的程序简介 为了便于计算，本课题在研究过程中根据上面所介绍的数学模型，用v b 编 译了一个高温热管换热器模拟计算程序，程序框图如图3 1 所示。本程序主要由 原始参数输入、热力计算和结果输出三个模块所组成，详述如下： ( 1 ) 、原始参数输入 在本程序中所要输入的参数主要有工况参数、物性参数、结构参数。 a 、工况参数：冷、热流体的进口温度和流量以及冷流体出口温度的假定值。 b 、物性参数：冷、热流体各组分的体积百分比。 c 、结构参数：各温度段热管的基管直径、基管壁厚、管内蒸汽腔直径、热 管吸液芯结构参数或热虹吸管的充液量、管内冷凝换热系数和管内沸腾换热系 数、各温度区迎风面宽度、横向管排数、横向管问距、纵向管间距、翅片参数、 冷热段长度和不同工质热管的纵向管排数等。 ( 2 ) 、热力计算 根据前面所述的数学模型计算高温热管换热器在某一稳态工况下，冷、热流 体的出口温度和总压力降；冷、热流体流经各排热管时的温度和速度；各排热管 的管内蒸汽温度、冷热侧的管壁温度、实际传输功率和最大传热极限。在模拟计 算中有关物性数据的处理主要是通过建立数据库查询方式，部分物性采用表示为 温度的函数来进行处理。 ( 3 ) 、结果输出 通过对高温热管换热器温度场和流场的模拟计算，最后输出冷热流体流经各 排热管时的温度和工况风速，各排热管的管内蒸汽温度、冷热侧的管壁温度、实 际传输功率和最大传热极限，冷、热流体的出口温度、总压力降和总换热量以及 南京工业大学硕士学位论文 图3 - 1 模拟计算程序流程图 f i g 3 1f l o wc h a r to f s i m u l a t i o nc a l c u l a t i o n 第3 章模拟计算和优化设计 故障信息提示。 3 1 4 算例分析 运用v b 所编译的高温热管换热器模拟计算程序对某厂曾使用过的一台高 温热管换热器( 结构参数如表3 1 ) 在工况1 和工况2 下的温度场和流场分布进 行模拟计算。计算结果如下： 1 、工况1 模拟计算，工况1 为该高温热管换热器的设计工况，设计工况参 数为：烟气流量为5 0 0 0 n m 3 h ，空气流量为6 7 0 0n m 3 h ；烟气进口温度为8 0 0 。c ， 空气进口温度为2 0 。c 。计算过程如图3 2 、图3 - 3 、图3 4 、图3 - 5 、图3 - 6 、图 3 7 、图3 - 8 、图3 - 9 和图3 1 0 所示。烟气温度和空气温度沿换热器纵向位置的变 化如图3 - 1 1 所示。 2 、工况2 模拟计算，工况参数为：烟气流量为5 0 0 0 n m 3 h ，空气流量为6 7 0 0 n m 3 h ；烟气进口温度为1 0 0 0 ，空气进口温度为2 0 。c 。计算过程中参数输入和 工况l 基本相似，仅仅烟气的进口温度有别于工况l ，输出结果如图3 1 2 、图3 1 3 和图3 1 4 所示。烟气温度和空气温度沿换热器纵向位置的变化如图3 1 5 所示。 表3 ，i 高温热管换热器结构参数 t a b l e 3 1s t r u c t u r ep a r a m e t e r so fh i g h t e m p e r a t u r eh p h e 高温段中温段低温段 热管种类钠、钾热管萘热管水热虹吸管 管f 尺寸( m m ) 巾3 8 3巾3 8 3( b3 8 3 热侧睦度( m m ) 1 1 5 01 1 5 01 1 5 0 冷倾0 欧度( m m ) 1 3 0 01 3 0 01 3 0 0 隔板厚度( m m ) 2 02 02 0 管子问距( 1 1 1 1 1 1 ) 7 07 07 0 翅片高度( 1 1 1 1 1 1 ) 1 21 21 2 热侧翅片厚度( r a m ) 222 冷侧翅片厚度( m m ) 121 21 2 热侧翅片间距( r a m ) 1 61 61 6 冷侧翅片间距( m m ) 666 排列方式 11 1 2 等边叉排 9 1 0 等j ；! 叉排8 1 9 等边叉排 纵向管排数 2 22 03 2 高温段前1 2 排为 备注钠热管，后1 0 排 为钾热管 南京工业大学硕士学位论丈 图3 - 4 工况1 热管管内参数 2 7 笫3 章模拟计算和优化设计 图3 - 7 工况1 低温段结构参数 f i g3 - 7s t r u c t u r ep a r a m e t e r so fl o w t e m p e r a t u r ep a r tf o rc r s e1 南京工业大学硕士学位论文 图3 - 9 工况1 逐排计算结果1 f i g 3 _ 9r e s u l t so f d i s p e r s ec a l c u l a t i o nn o 1 f o rc a s el 2 9 苎! 主垡丝兰差塑垡! 兰堡苎 9 0 0 8 0 0 7 0 0 6 0 0 5 9 0 4 0 0 3 0 0 2 0 0 10 0 0 图3 1 0 工况i 逐排计算结果2 f i g 3 一1 0r e s u l t so f d i s p e r s ec a l c u l a t i o nn o 2f o rc a s e1 o102 03 04 05 06 0 7 08 0 纵向位置( 排) 图3 1 1 工况l 换热器内流体温度沿纵向位置的分布 f i g 3 1lp o r t r a i tt e m p e r a t u r ep r o f i l e so f f l u i di nh e a te x c h a n g e rf o rc a s el 。u 雠赠 南京工业大学硕士学位论文 图3 1 3 工况2 逐排计算结果1 f i g 3 - 1 3r e s u l t so f d i s p e r s ec a l c u l a t i o nn o 1 f o rc a s e2 笙! 主塑塑堡簦塑垡! 兰堡笪 10 00 8 0 0 60 0 40 0 20 0 o 图3 1 4 工况2 逐排计算结果2 f i g 3 - 1 4r e s u l t so f d i s p e r s ec a l c u l a t i o nn o 2f o rc a s e2 01o20304 0506 07080 纵向位置( ) 图3 1 5 工况2 换热器内流体温度沿纵向位置的分布 f i g 3 1 5p o r t r a i tt e m p e r a t u r ep r o f i l e so f f l u i di nh e a te x c h a n g e rf o rc a s e2 一p ) | 巡赠 南京工业大学硕士学位论文 图3 - 9 和图3 1 3 所示出的计算结果表明：在工况1 和工况2 下，该高温热 管换热器的高温段均有部分钠热管和钏热管的传热能力受到了传热极限的制约。 相比之下，工况2 的情况相对好一些。山此可见，该换热器高温段的设计存在一 定的问题。 图3 1 3 所示出的计算结果表明：在工况2 下，中温段首排萘热管的管内蒸 汽温度达到3 8 2 3 9 c 。据有关研究表明：萘在3 5 0 。c 以上有较快的分解速度。因 此如果萘热管管内蒸汽长期保持较高温度，则往往导致萘热管内工质萘结焦分 解，而缩短萘热管的工作寿命或引发爆管事故。因此，在改变工况条件之前需先 进行模拟计算，根据模拟计算结果来判断高温热管换热器在某工况下是否能丁| 三常 运行后再进行实际操作，而不应随意变化工况条件。 由图3 8 和图3 一1 2 所示出的计算结果可以看出烟气的出e l 温度偏低，结合 图3 - 9 、图3 1 0 、图3 1 3 和图3 一1 4 中所示出的管内蒸汽温度分却，说明按普通 热管换热器设计计算程序设计的高温热管换热器各温度段所用的热管数目大大 超过了实际所需。 图3 1 l 和图3 - 1 5 中，冷、热流体温度分布曲线斜率从空气进口处到中温段 空气出口处呈逐渐增大的趋势，这是出冷、热流体间温差逐渐增大所引起的。在 高温段部分曲线斜率呈不规则的变化，这是因为部分热管的传热能力受到了传热 极限的制约而引起的。 3 2 优化设计 3 2 1 概述 按原设计方法设计制造的高温热管换热器在实际运行过程中，发现很多热管 处于非正常工作状态等问题。根据模拟计算结果，究其原因，主要是由原设计方 法偏于保守和未充分利用热管管内蒸汽温度的可调性优化过渡段的设计所引起。 为提高高温热管换热器设计的合理性和经济性，加快其实现工业化的进程，需对 高温热管换热器进行优化设计研究。目前有关普通热管换热器的优化技术已比较 成熟，但是现有的普通热管换热器的优化技术只能作为高温热管换热器优化设计 的借鉴，而不能完全应用于高温热管换热器的优化设计，因为高温热管换热器的 结构较普通热管换热器而言复杂得多。通常，普通热管换热器是由一种热管所组 成，很容易构造优化模型，而高温热管换热器是由多种热管所组成，并且由于热 第3 章模拟计算和优化设计 管管内蒸汽温度的不连续性，使高温热管换热器在设计过程中涉及到一个过渡段 的设计问题，这大大增加了构造和求解高温热管换热器优化设计模型的困难性。 本课题在研究过程中，首先针剥采用普通热管换热器设计计算模型进行高温热管 换热器设计的不合理性，提出了两个合理的商温热管换热器设计计算模型。然后 征此基础l i 以初投资的回收年1 ：l i ! 最姗作为优化标建屯商温热钳换热器优化设 计的数学模型，并用穷举法进行求解。 3 2 2高温热管换热器的设计 1 、离散型设计 考虑到高温热管换热器结构的复杂性和离散型算法的特点，在对原普通热管 换热器的离散型设计计算模型作一定修改的基础上，提出了高温热管换热器的离 散型设计模型。下面按照设计路线简单介绍一下离散型设计法的具体步骤。 ( 1 ) 、确定原始工艺数据 ( 2 ) 、确定迎面风速及迎面管排数。考虑到高温热管换热器冷、热流体的温 差较大，因此介质的密度变化较大。这就意味着如果流道截面积恒定，则在整个 高温热管换热器纵向方向上速度变化很大，此时要想保证整个纵向长度上不洁净 流体的自吹灰能力，势必使压力降增大很多。为了解决这一问题，建议设计者不 妨在下面的逐排计算中考虑工况风速随纵向长度的变化，作出适当的调整，最好 在不同工质热管管群的分界处采用变截面设计原理进行适当的处理。 ( 3 ) 、根据热管换热器的热阻模型进行逐排计算，这里不仅要计算各排热管 所传输的热量和冷、热流体的温度变化，而且还要计算各排热管在相应条件下的 管内蒸汽温度和传输限，若发现当前所计算的某排热管管内蒸汽温度不在其管内 工质正常工作温度范围内或所要求传输的热量超过了其传输限，则需考虑选用其 它工质的热管或对其结构参数作出相应的调整，使其满足要求，然后再进行下一 排热管的有关计算，以此类推，直至完成整台热管换热器的设计。 ( 4 ) 、求通过热管换热器的压力降，若压力降过大，可修正管子排列方式及 迎面风速按上述步骤重新进行设计，直至满足设计要求为止。 2 、分步设计 鉴于高温热管换热器结构的复杂性，将其整个设计过程分成如下四步：1 、 设计高温段中非过渡段部分；2 、设计中温段非过渡段部分：3 、设计低温段；4 、 南京x - & 大学硕士学位论文 设计高温热管换热器中的过渡段部分。一般，这里的过渡段指的是高温段和中温 段的相邻区域部分。因为萘热管和水热虹吸管的传热性能都比较良好，而且两者 的工作温度范围存在一很大的重合区域，凶此一般无须考虑对中温段和低温段的 枷邻区域部分作结构调整。下面按照设计路线简单介绍一下分步设计的具体步 骤。 ( 1 ) 、高温段中非过渡段部分的没计 a 、确定原始工艺数据。 b 、按上面离散型设计过程中所述的相同方法确定迎面管排数。 c 、取一个温度值作为热流体在高温段的出口温度值( 该值应该取得偏低一 点) 。按照普通热管换热器的等效问壁式计算模型，运用平均温压法对高温热管 换热器的高温段非过渡段部分进行初步设计。 d 、对高温段非过渡段部分的初设计进行核算，确定其纵向管排数。 高温热管换热器内高温段热管一般选用钠、钾作为其管内工质。由表2 一l 可 知，钠、钾热管工作温度上限很高，对于通常的工艺设计要求而言，热管管内蒸 汽温度不会超出钠热管工作温度的上限。众所周知，热管的传热能力随管内蒸汽 温度的上升而提高，反之则降低。因此，一般只要某排热管满足传热能力要求和 管内工质工作温度范围要求，那么与该排热管管内外结构和管内所充装工质均 棚同的前一排热管也必能满足要求。同时考虑到钠、钾热管，两者成本差不多， 传热性能又都比较良好，工作温度范围有一很大的重合区域，但钾热管工作温度 的f 限要比钠热管低得多，因此高温段中管内蒸汽温度低于钠热管工作温度范围 下限的后几排热管均采用钟作为管内工质。由此可见，只要使高温段中非过渡段 ： | ；分的最后一排钾热管满足要求，就可以保证高温段中非过渡段部分所有热管满 足要求。因此，对高温段中非过渡段部分初设计的核算可转化为一个求取满足一 定约束要求的最大纵向管排数的最优化问题。根据一定的理论分析，本课题拟运 用单变量函数的分割寻优法，利用传热温差沿传热面指数规律变化的函数关系、 能量守恒、传热方程和热管热阻模型来求解此问题。具体求解过程如下所述： 在热管结构固定的情况下，热管的最大传输能力山热管管内蒸汽温度来决 定，因此不妨将其直接表示为热管管内蒸汽温度的函数，即用式( 3 - 1 6 ) 来表示。 g 。= ，( ，：) ( 3 - 1 6 ) 第3 章模拟计算和优化设计 由传热温差沿传热面指数规律变化的函数关系可得冷、热流体在第j 排热管 处的温差为： f ，= ( 寸一o p “5 肚。，“h ( 3 - 1 7 ) 由热管热阻模型可得第，排的单根热管在理想情况下的传输功率和管内蒸汽 温度的表达式。 q k 竺 ( 3 1 8 ) r ： 仁c 半；等h 半m 卜等m 棚， 此外，约束条件用数学表达式可表示为： q 。g 。 ( 3 - 2 0 ) t ：t 。 ( 3 - 2 1 ) 结合以上方程和不等式运用单变量函数的分割寻优法确定满足一定约束要 求的最大纵向管排数。如果最大纵向管排数和初设计的纵向管排数相等，那么按 式( 3 2 2 ) 、( 3 - 2 3 ) 重新计算高温段非过渡段部分的热流体出口温度、冷流体进 1 2 1 温度后即可进行中温段非过渡段部分的设计。否则，同样先按式( 3 - 2 2 ) 、( 3 2 3 ) 计算满足要求部分的热流体出口温度和冷流体进口温度，然后以此作为商温段非 过渡段部分再次设计的工况参数重新设计高温段非过渡段部分，以此类推，直至 满足要求为止。 h = t ? 一警 z z ， c ：朋” 岛叫一警 z s ， ( 2 ) 、中温段中非过渡段部分的设计 以高温段热流体的出口温度、冷流体的进口温度分别作为中温段热流体的进 口温度、冷流体的出口温度，然后再取一个温度作为热流体在中温段的出口温度 值( 该值应该取得偏低一点) 。下面的步骤和高温段的设计基本类似，仅仅是在 中温段设计时需保证管内蒸汽温度在2 5 0 。c 3 5 0 。c 之间。 南京工业大学硕士学位论文 ( 3 ) 、低温段的设计 和普通热管换热器的设计完全一样，热流体的进i j n 度为中温段热流体的出 【_ j 温度，值得注意的是如果有防止低温腐蚀的要求，则应控制热侧的管壁温度。 f 4 ) 、过渡段的设计 经上面三步设计后，在高温段和中温段之间留下了一个设计的真空地带，该 地带就是所要设计的过渡段区域。高温热管换热器过渡段的设计可以采用如下方 法进行：认为过渡段单一地h h 每t l 热管或萘热管所组成，然后采用离散型设计模型， 通过调整结构参数来使钾热管或萘热管耦合高温段和中温段，最后选取一定数量 的钾热管和一定数量的萘热管来优化组合过渡段，此时整台高温热管换热器的设 汁就完成了。为保征整台高温热管换热器在结构上的连续性，过渡段的铡热管除 了在翅片参数上有别于高温段的钟热管，其它尺寸应和高温段的钾热管一样，刷 样过渡段的萘热管应和中温段的萘热管相对应。 3 2 3 设计算例 要求设计一台高温热管换热器，用烟气余热加热冷空气来获得洁净的热空 气，设计工艺参数如表3 2 所示，设计所选用的结构参数如表3 3 所示。 表3 - 2 设计1 ：艺参数 操作参数 冷侧( 空气)热侧( 烟气) 进口温度。c 2 0 8 0 0 出口温度 c 5 0 02 0 0 流量( 标准状态) ( r n 3 h ) 朱知 5 0 0 0 表3 - 3 设计所选刚的结构参数 商温段中温段低温段 热管种类钠、钾热管汞热管 水热管 管子尺寸( m m ) 由3 8 3巾3 8 x 3 中3 8 3 热侧长度( m m ) 1 1 5 01 1 s 01 1 5 0 冷侧长度( m m ) 1 3 0 01 3 0 01 3 0 0 隔板厚度( r a m ) 2 02 0 2 0 翅片高度( m m ) 1 21 2 1 2 管子间距( m m ) 7 07 07 0 热侧翅片厚度( m m ) 222 冷侧翅片厚度f m m ) 1 21 21 2 热侧翅片间距( r a m ) 1 6 1 61 6 冷侧翅片间距( m m l 66 6 排列方式 等边义排等边义排等边义排 第3 章模拟计算和优化设计 运用v b 编译程序来完成分步设计计算，计算结果如图3 1 6 、图3 1 7 所示 与原设