【毕业学位论文】（Word原稿）螺旋翅片热管数值模拟及场协同分析-热能工程

分类号 密级 U D C 编号 学 位 论 文 螺旋翅片热管数值模拟及场协同分析 张艳霞 螺 旋 翅 片 热 管 数 值 模 拟 及 场 协 同 分 析 南 京 工 业 大 学 指导教师姓名 张 红 教授 申请学位级别 工学硕 士 学科、 专业 热能工程 论文提交日期 2011 年 3 月 二一一 年 三 月 on in of y 011 摘 要 数值模拟方法已成为换热器研究的重要手段，然而至今为止，对热管换热器数值模拟研究却鲜见报道。这其中的原因主要是由于在热管换热器中，冷热流体间的热量主要是靠热管内工作介质蒸发和冷凝的相变进行传递的，因而导致热管换热器的总体性能一方面取决于热管元件本身的性能，另一方面又取决于管壳间流体流动和传热的特性，这两方面 综合影响决定了热管换热器数值模拟研究与管壳式换热器相比具有很大的难度。本文旨以热管单管模拟为基础，探索热管换热器模拟中一些参数的选择，进一步模拟螺旋翅片热管及螺旋翅片管束，得到速度场和温度场分布，在此基础上形成速度场和温度场的协同性的评测方法，并建立热管外对流换热的场协同理论。通过场协同理论对热管对流换热性能进行分析研究，通过改变热管外部结构参数调整流场的速度和温度分布，从而改善速度场与温度场的协同性，提高热管对流换热的性能，为进一步模拟研究热管换热器提供了依据。 主要研究的内容和结果可概括如下： （ 1）本 文首先建立了单根热管流固耦合传热模型， 应用计算流体力学 软件 标准 型 对其 传热与流动进行数值计算 ，在 200104 W m K 范围内探索热管当量导热系数的取值对模拟结果的影响。结果表明，热管当量导热系数 取值处于 102 数量级时，随着 的增加，换热量增加比较明显，整个 热管的温度分布还有不均匀现象；但是 达到 103 数量级后，随着热管导热系数取值的变化，换热量变化并不大，说明给流固耦合模型设置适当的导热系数即可合理地模拟热管换热器。 （ 2）对热管单管模型热侧为高温气体的情况，利用 件提供的射模型，计算了常用的不同成分的烟气在不同工况下的辐射换热量，模拟结果表明：烟气的吸收系数从 大到 5。烟气吸收系数对辐射换热量的影响不大，烟气 温度才是辐射换热量的决 定因素。烟气温度超过 600时，辐射所占百分比大于 5%，应予以考虑。在模拟常用的不同成分高温烟气时，吸收系数可近似取为 1。 （ 3）在探索得到热管换热器模拟中几个重要参数的选择基础上，建立了湍流状态下螺旋翅片热管单管的三维换热模型。 对 影响螺旋翅片管管外传热的翅片几何参数（翅片高度、间距、厚度）进行了详细 计算 分析 ，得到了 单管螺旋翅片热管的 拟合得到了两种不同表达形式的传热准则数 （ 4） 建立了湍流状态下螺旋翅片热管管束的三维换热模型，研究了排列方式以 及水平间距对热管管束的传热与流动的影响。 顺排、叉排 两种排列方式对比发现，叉排时流体在管间交替收缩和扩张的弯曲通道中流动，比顺排时在管间直通道的流动扰动剧烈。 计算结果表明叉排时平均 平均压降比顺排时大 这个结论表明，相同管间距下顺排管束的换热强度比叉排低，但管外流动阻力的降低幅度要小。在布管时要综合考虑这两方面的因素。 水平间距对于 热管换热器的传热能力存在最佳位置，且不同排列方式下，最佳位置不一样。本模型中选用直径 16片高度 6顺排时，最佳水平间距为 42排时，最佳水平间距为 40种排列方式下水平间距增大或减少，都能使传热性能有所减弱。 （ 5）对本文中建立的各种传热模型建立了热管外对流换热的场协同理论。计算结果表明 对于在相同管间距的条件下， 顺排时最佳水平间距 42其 对应的平均协同角最小，为 叉排时最佳水平间距为 40应的平均协同角最小，为 本文利用 件对热管换热器单管及管束进行了数值模拟研究，并用场协同理论对结果进行了分析，为进一步模拟计算热管换热器提供了新 的依据。 关键词： 热管换热器； 螺旋翅片热管；数值模拟； 场协同 an so is is on of So on of on of is to A of in a on of of be by of be be be as (1)on a a of in a on on 02, of 03, of be of (2)on SI of in O It on is of is 00 , of is %. So be In be . (3)of of u e u (4)of in in u of in in So a a In 6 6 in It 2in 0or (5)of of in at 2in 0mm to In of of 目录 摘 要 . I . 1 章 绪论 . 1 题背景 . 1 气热管换热器应用介绍 . 2 片管及螺旋翅片管研究进展 . 5 拟及场协同理论 . 8 用数值计算方法的比较 . 8 限容积法的 件概述 . 10 协同理论简介 . 12 文的研究内容与思路 . 14 要研究内容 . 14 究的目的与意义 . 15 第 2 章 数值模型及参数选择 . 16 何模型 . 16 理模型 . 17 制方程 . 17 格划分 . 18 解器的选择 . 19 制方程的离散与求 解 . 20 界条件的确定 . 2020 数选择 . 20 况参数 . 20 量导热系数 . 21 射模型 . 21 拟结果及验证 . 22 章小结 . 25 第 3 章 螺旋翅片热管模型 . 27 理模型 . 27 值模型 . 27 格划分 . 28 算结果及分析 . 29 片高度的影响 . 29 片间距的影响 . 30 片厚度的影响 . 31 热准则方程 . 32 旋数目对模拟结果影响的验证 . 33 束模拟 . 34 束模型 . 35 界条件及收敛条件 . 35 管排列方式的影响 . 36 管水平间距的影响 . 38 章小结 . 39 第 4 章 场协同分析 . 40 协同机理简介： . 40 协同理论的实例分析与验证 . 42 型建立 . 42 型的验证 . 44 算结果 . 44 协同理论分析 . 45 管热管换热器内换热和流动场协同分析 . 46 旋翅片热管场协同分析 . 47 片高度对协同角的影响 . 47 片间距对协同角的影响 . 48 片厚度对协同角的影响 . 48 旋翅片管束 的场协同分析 . 49 束排列方式对协同角的影响 . 49 管水平间距对协同角的影响 . 49 章小结 . 51 第 5 章 结论与展望 . 52 论 . 52 望 . 53 参考文献 . 54 符号表 . 59 在读期间发表论文及获奖情况 . 61 致 谢 . 62 第一章 绪论 题背景 能源是发展国民经济的重要物质基础，是人类赖以生存的必要条件，能源的开发和利用程度直接影响着国民经济的发展和人民物质文化生活水平的提高，余热回收是合理利用能源、节约能源、提高能源利用率等方面不可忽视的问题。热管及由此而构成的热管换热器作为一种新型的高效换热器在余热回收领域发挥着重大作用。热管换热器属于热流体与冷流体互不接触的表面式换热器。 热管换热器与其他形式的换热器比较起来有许多的优点，但其最独特的有以下几点： 1） 传热性能好：热管换热器优良传热性能的获得，首先是在两流体侧都方便地实现了翅化，增大了冷热流体的热交换面积 ， 大大减小了两侧的对流热阻，因而强化了整个传热过程；其次，把传统的换热器的交叉流型改为纯逆流流动，在不改变冷热流体入口温度的条件下增大了该传热过程中冷热流体换热的平均温压；再次，把一侧气体的管内流动改为垂直外掠流动。这三方面的原因可使热管换热器较其他形式的换热器的传热性能好得多。 2）冷、热流体两侧的传热面可以自由布置：热管 换热器的传热元件是热管，其蒸发段、冷凝段长度及翅化比按给定的传热量、流体温度、流量以及各流体的性质及清洁程度等两侧独立决定，互不牵连。这就从结构上确保热管换热器能适用于温度、流量及清洁程度相差悬殊的两种流体间的传热。这一特点，其他形式的换热器均不具有。 3）传热面局部破坏时，能确保两流体彼此不掺混 ， 热管换热器杜绝流体间掺混现象。在这种换热器中，当某个热管元件某一端壳壁损坏时，造成的影响仅仅是该元件失效而停止传热。两种流体仍被元件另一端的壳壁隔开。通过元件壳壁的泄漏不会发生，因而能确保流体的品质不致变坏。再加 上单根热管元件损坏后更换方便，并不影响换热器整体，因而在流体品质要求严格，冷热流体不能相互污染的情况下进行热交换时，热管换热器自然是理想的换热设备。 4）热管换热器有较高的防积灰堵灰能力：热管是烟气在管外壁流动横掠换热，烟气的扰动性加强。再加上热管壁温高，管外始终呈干燥状态，因此，也就不会结膜不易黏附烟灰，因而它就能有效地防止堵塞。 5）热管换热器有较高的抗低温腐蚀的能力：在设计中可根据工况特点调整热管加热段和冷凝段的长度，以及通过调整低温处热管冷、热两段翅片的间距、数量等办法来调整烟气侧与空气侧的换热面积 ，从而达到控制热管壁温的目的，使烟气侧壁温高于运行工况露点温度，从而避免露点腐蚀。 按照热流体和冷流体的状态，热管换热器可分为气 气式、气 液式、液 液式。从热管换热器结构型式来看，热管换热器可分为整体式、分离式、回转式和组合式 1。热管换热器的应用已从 20世纪 60年代末用于宇航的热控制，扩展到到目前的电子工业、余热回收、新能源及化学工程等众多方面，且收到了显著的效果。 热管热流密度的可调节性使它可以用于高热流密度的电子 元器件，提高了电子元件的稳定性和使用寿命。我国青藏铁路地基工程中也用到了热管，其作用是将路基的热量导出来，从而使这个由冻土构成的路基不会融化。目前，青藏铁路的线路和设备设施都保持了正常的运行状态 2 化学反应往往有热效应相伴随的，对于放热反应，需要及时移走热量，而对于吸热反应，则需及时供给热量才能维持化学反应的正常进行。利用热管换热器移走化学反应热或供给化学反应热 4，可以把化学反应控制在理想的温度范围内内进行， 从而可以得到高质量的产品，提高产量。 在余热回收方面的，工业排气的温度往往高达上百度，将热管换热器用于工业排气的余热回收中，可回收余热，使之加热空气作为助燃空气使用或作为烘房的热源；可以加热水，用作锅炉给水，或使水产生蒸汽供其他方面使用；也可以加热排气本身，避免腐蚀排烟设备。 气热管换热器应用介绍 图 1 气式热管换热器。通过这种换热器的两种换热流体都是气体。由于在热管上增加了翅片，这就克服了气体换热系数小的缺点，使得 所需的换热热管数目大大减少。在所有的气 以与 热管换热器竞争的只有板翅式换热器。但换热流体通过板翅式换热器的压力降却要比热管换热器大得多。由于气 力降小，所以其被用在众多热量回收场合。 图 1 气式热管换热器 管式空气预热器是常见的气 气型热管式换热器，它是利用排烟余热，预热进入炉子的助燃空气，不仅可以节约燃料，提高燃料的利用率，还可以减轻对环境的污染。因此，热管空气预热器在余热回收利用中得到非常广泛的应用。 福建省永安发电 厂 2 130 t/h 型燃用无烟煤锅炉， 1987年加装前置式热管空气预热器，低温段空气预热器入口风温由 30 40 升高到 85 90 ，排烟温度由151降低到 133，锅炉效率提高了 。四川成都热电厂 5 煤粉炉， 1987 年利用热管式空气预热器代替卧式玻璃管空气预热器，排烟温度降低了 滦河发电厂 2煤粉炉， 1991 年利用热管式空气预热器代替回转式空气预热器，年经济效益 250万元 5。由于热管式换热器 具有小温差下传递大热量的特点，在一一般电站锅炉中作为前置式的空气预热器，将会回收利用大量能源 6。上海第八钢铁厂在四车间轧钢加热炉上采用气 气型热管式换热器，将助燃空气从 20预热到 80 90，废气从 280下降到 190，每小时回收废气余热为 419 。 气 气热管换热器还可由管内充有不同工质的热管组成，称为组合式热管换热器。这在高温热管换热器中应用较多。高温热管换热器根据工作温度的高低，分别使用了高温、中温、低温三种管内充有不同工质的热管组成了组合式热管换热器。实践证明，高温热管换热器的应用是成功的。 (1)高岭土喷雾干燥 高岭土是化工、造纸、建材中一种重要的添加剂，其浓度高达 63%一 66%，料浆粘度为 500此高浓度、粘度的料浆喷雾干燥具有一定难度 8。关键是有较高温度的热风，希望热风温度达到 500，由于 对高岭土的白度有较高的要求，因之在干燥过程中应该力求避免污染物混入料粉中。以燃烧烟道气为热源的高温热管式空气加热器非常适合于这种要求。常温空气由鼓风机自热管换热器的底部进入热管换热器低温段，经中温段及高温段加热达 500后排出，进入喷雾塔作为干燥热风。从煤燃烧炉出口的烟气温度达 900 1100，由换热器顶部向下流动与冷侧空气形成逆流换热，温度降到 200以下由引风机排入烟囱。该设备 1994年 2月正式投入使用， 1994年 5月对换热器进行测试，结果如表 2 表 1验测量数据 气侧 烟气侧 进口温度 出口温度 流量（标况） m/h 进口温度 出口温度 流量（标况） m/h 33 33 33 34 34 451 455 478 490 503 38 741 750 782 821 188 190 192 195 198 896 (2)十二醇硫酸钠喷雾干燥 十二醇硫酸钠是优良的阴离子表面活性剂，能有效的降低表面张力，是牙膏生产的重要原料之一，还广泛应用于洗涤剂、化妆品、医药、纺织品、石油开采 及电镀行业。十二醇硫酸钠是一种热敏感性多泡性物质，改造条件十分苛刻。即干燥所需的高温热源 (450 500 )一般采用煤气直接燃烧产生的烟气 9。对于没没有煤气或煤气很贵的地方，热源成为一个大难题。如使用液化气、轻柴油等其他热源，均会对十 二醇硫酸钠产生污染而影响色泽。如采用换热方式加热空气，则一般的板式、列管式、板翅式所能提供的热源温度一般在 400以下，且热效率低，并且大多数不适合于以煤气为燃料的烟道气，而热管的各种特性非常适合于这一难题的解决。由煤燃烧炉产生的高温烟气 (950 850 )直接进入高温热管换热器的吸热段 (热管的蒸发段 )遂步经过高温热管区、中温热管区、低温热管区降至 200以下排入烟囱。空气由常温 20进入热管换热器的放热段，通过热管与烟气的逆流换热被加热至 470 500去喷雾干燥塔。 高温热管换热器在喷雾干燥中的应用 研究取得成功，并已收到了令人满意的实际效果，根据现场测试的参数表明，高温热管换热器达到的某些性能指标，是其它类型热风发生器所达不到的，因而在某些特定工况条件下也是无法取代的。 片管及螺旋翅片管研究进展 翅式管换热器是一种带翅的管式热交换器，在动力、化工、制冷等工业中有广泛的应用。翅片管换热器由于在管表面上加翅，不仅传热面积增加，而且可以促进流体的湍流，所以传热系数比光管可提高 110。在空调制冷行业中， 对对它的研究不仅有利于提高换热器的换热效率和整体系统性能，而且对改进翅片换热器的设计型式，推出更加节能、节材的紧凑式换热器有着重要的指导意义。 自一九四八年美国德克萨斯州炼油厂首次全部采用翅片管空气冷却器代替传统的水冷器以来，发展十分迅速 11。五十年代起，英国新建的几家炼油厂也也全部采用了翅片管空气冷却器。同时，翅片管换热器逐步从炼油化工业，扩展到了电力、冶金和原子能等工业部门，其应用日益广泛。 国外全部采用空气冷却器的 炼油厂