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重力热管换热器的设计及数值模拟分析
口杜军口程冉冉口郑喜洋
江苏科技大学能源与动力工程学院江苏镇江212003
摘要:为了对烟气进行余热回收,提高能源利用率,结合当前重力热管換热器的设计技术,采用
整体设计法,设计了余热回收量为5000kgh的热管換热器装置。基于热管换热器的工作原理,设计了
常温热管换热器余热回收装置,其中包括热管エ质与管村的选择、管外扩展面积的选择、換热器结构的
设计、传热能力和传热阻力的计算等。采用 FLUENT软件对热管換热器内的流场进行数值模拟,并将模
拟结果与相关实验结果进行对比分析。模拟结果显示,在热管的背风例贴近管壁处热流体沆速较小,部
分热流体逆流,出现回流区。另外,热管背风侧回流区的热流体温度比其它区域流体的温度低;流体流
动的压降也会随管间距增大而减小,为重力热管换热器的结构优化提供理论基础
关键词:烟气余热回收重力热管换热器设计模拟
中图分类号:TH122;TK172.4文献标志码:A文章编号:1000-4998(2016)03-0012-03
着计算机技术的兴起和计算流体力学的发展,和传热,结果显示倾斜波纹翅片比平板翅片的传热效果
为热管换热器的研究提供了数值模拟方法,对热管换更好。张岭?运用 FLUENT软件,选用双方程模型对夹
热器的研究更快捷直观。目前 FLUENT是流体数值模套式热管换热器进行数值模拟和结构优化研究,结果
拟计算分析中应用最多最广的软件1],使用数值模拟表明,在热管顶部蒸汽出现回流且温度值达到最大,热
方法,为热管换热器的优化设计起到了推动作用
管上部靠近内管外壁的部位流体速度最小,冷凝最快。
在国外, Patankar S.V.和 Spazding D.B.2为换热器
笔者基于整体设计法,对重力热管换热器进行设
的数值模拟研究奠定了理论基础。 Shiraishi M.和计计算,建立重力热管换热器三维模型,采用非结构化
Kikuchi K.等人对两相闭式热虹吸管进行实验研究
网格划分,并采用双方程模型对热管换热器进行数值
并开发一个简单的数学模型来预测热虹吸管的性能
模拟,获得模型内的速度、温度、压力分布情况。另外
Legiershi J等人通过使用 FLUENT6.0软件,对热管对不同管间距及不同管长时的重力热管换热器中的压
进行了模拟分析,把热管看成二维稳态的能量传輸导力场进行了模拟及分析,为换热器的结构研究提供理
热管,最终的温度与实验结果比较吻合。 Asmaie I.和论依据。
Haghshenasfard M.等人5主要利用计算流体力学模型
来模拟研究重力热管的传热特性,在此基础上,提出了1重力热管换热器的设计
换热器的热效率,并且优化热管换热器的流体分布,验1.1工作原理
证了此方法的实用性和有效性。
重力热管管内没有吸液芯,凝结液靠自身重力回
在国内,孙世梅等?以高温热管换热器为研究对流,与普通热管相比,重力热管结构简单、制造方便、成
象,对高温热管换热器整体和局部进行强化传热数值本低,且传热性能优良、工作更加可靠?。热管换热器
模拟,同时,对热管管内温度场也进行了模拟,为热管由数十根到数百根热管组成,热量从高温流体通过热
换热器的结构优化提供了思路。仲崇宝等?利用管内工作介质蒸发和冷凝的相变过程,传递到低温流
FLUENT软件对夹套式热管进行数值模拟,结果显示,体。热管换热器两个流体腔体内,每根热管传热特性由
夹套式热管内沿工质流动方向温度层次明显,壳程靠于受到外部流动特性的肜响,其传热特性各不相同,同
近热管的部位温度梯度大。涂福炳等8利用 FLUENT时热管传热特性对外部传热性能也造成影响。
软件,对同轴径向热管换热器壳程进行数值模拟,分析1.2热管的选型
流体速度、温度及局部对流换热系数沿壳程的变化
笔者对低温烟气余热回收进行研究,即对低温重
规律,并寻求换热器结构参数优化值。李祺等利用力热管换热器进行数值模拟分析。已知余热回收量为
FLUENT软件,数值模拟了两种倾斜波纹翅片的流动5000kgh,烟气入口温度为230℃,选取水为热管T
收稿日期:2015年9月
质。管材采用钢一铜复合管,端盖用铜焊接,管外扩展
2016/3
机械制造54卷第69期ま
面采用环状的钢翅片,翅片管的具
表1翅片管的几何参数
体参数见表1。
光管内径d光管外径d。翅片外径d」翅片厚度δ』翅片间隙Y翅片高度H翅化比B
1.3重力热管换热器设计
50 mm
0,8mm
3.2mm
12.5mm
10.6
重力热管换热器作为一种中间
表2量力热管换热器结构参数与设计参数
介质换热器,利用热管内部介质相
结构参数
设计参数
変进行传热,冷、热源一般分开布迎风面管间距Sm6
热流体侧
冷流体侧
置。热管换热器管束的排列有顺排「热管排列方式
9/8
进口温度T'/℃
进口温度T2/℃
和叉排两种,管束又排时,可以通过し管東排数N
20
出口温度T"/C
150
出口温度72"/℃
调整管间距增强流体的扰动,促使「蒸发段长度L/mm100
尾流与主流混合,因而叉排管東換しか凝点长度ロ「10o01「流(っ「3500「流数sh「5o
热状况较好5,笔者将管束采用正三角形叉排排列。根的中心区域都会大于其它区域。热管背风侧回流区的
据重力热管換热器的设计参数及设计步骤,设计出重热流体温度比其它区域流体的温度低,这是因为热流
力热管换热器,其参数见表2。
体在背风侧回旋,与热管换热时间长,周围的热流体不
2数值模拟
能及时进人到这部分,导致热流体的温降较大。
图6显示了热管换热器蒸发段内部的压力分布
2.1换热器内的流场模拟
流体压力随流体流动方向逐渐降低。压降是衡量换热
利用 FLUENT软件对换热器内的流场进行模拟。器性能的一个重要参数,换热器压力损失小,能减少能
流场的模拟以物质守恒、动量守恒和能量守恒为基础,耗,减轻设备的振动,有利于系统的稳定。一般来说,影
建立连续方程、动量方程和能量方程对流场内的各计响压降的主要因素是流体密度,流体流速以及热管管
算点的位量参数进行求解?。假设低温热管换热器内间距等。本研究主要针对重力热管换热器的结构参数
的流动处于稳态,考虑到换热器内热管对称布置,数值进行分析,所以笔者主要对热管间距对换热器压降的
模拟选取对称结构最小单元,以减小计算量。换热器内影响做出模拟分析。
热管分布如图1所示,选取1-1、2-2之间为计算区
域,建立CFD模型,如图2所示;模型采用非结构化网
格划分,网格划分如图3所示。
笔者采用 FLUENT软件中的标准kー湍流模型
分别对换热器内的流场进行数值模拟分析,入口采用
质量流量入口( Mass flow inlet),出口为自由出口
( Outflow),壁面选用无滑移条件,采用 Simple软件求
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解器进行数值模拟计算,从而获得数值结果,分析热管
换热器中的流场、温度场和热管的工作状态。
图4显示了热管换热器蒸发段内的第2排和第3
排热管周围局部流动特性。流体流过热管时,在热管的
背风侧贴近管壁处热流体流速较小,动能小,不足以克
服压力的增长而向前运动,造成壁面附近的热流体产生