分類號 密級 U D C 編號 學 位 論 文 螺旋翅片熱管數(shù)值模擬及場協(xié)同分析 張艷霞 螺 旋 翅 片 熱 管 數(shù) 值 模 擬 及 場 協(xié) 同 分 析 南 京 工 業(yè) 大 學 指導教師姓名 張 紅 教授 申請學位級別 工學碩 士 學科、 專業(yè) 熱能工程 論文提交日期 2011 年 3 月 二一一 年 三 月 on in of y 011 摘 要 數(shù)值模擬方法已成為換熱器研究的重要手段，然而至今為止，對熱管換熱器數(shù)值模擬研究卻鮮見報道。這其中的原因主要是由于在熱管換熱器中，冷熱流體間的熱量主要是靠熱管內(nèi)工作介質(zhì)蒸發(fā)和冷凝的相變進行傳遞的，因而導致熱管換熱器的總體性能一方面取決于熱管元件本身的性能，另一方面又取決于管殼間流體流動和傳熱的特性，這兩方面 綜合影響決定了熱管換熱器數(shù)值模擬研究與管殼式換熱器相比具有很大的難度。本文旨以熱管單管模擬為基礎(chǔ)，探索熱管換熱器模擬中一些參數(shù)的選擇，進一步模擬螺旋翅片熱管及螺旋翅片管束，得到速度場和溫度場分布，在此基礎(chǔ)上形成速度場和溫度場的協(xié)同性的評測方法，并建立熱管外對流換熱的場協(xié)同理論。通過場協(xié)同理論對熱管對流換熱性能進行分析研究，通過改變熱管外部結(jié)構(gòu)參數(shù)調(diào)整流場的速度和溫度分布，從而改善速度場與溫度場的協(xié)同性，提高熱管對流換熱的性能，為進一步模擬研究熱管換熱器提供了依據(jù)。 主要研究的內(nèi)容和結(jié)果可概括如下： （ 1）本 文首先建立了單根熱管流固耦合傳熱模型， 應(yīng)用計算流體力學 軟件 標準 型 對其 傳熱與流動進行數(shù)值計算 ，在 200104 W m K 范圍內(nèi)探索熱管當量導熱系數(shù)的取值對模擬結(jié)果的影響。結(jié)果表明，熱管當量導熱系數(shù) 取值處于 102 數(shù)量級時，隨著 的增加，換熱量增加比較明顯，整個 熱管的溫度分布還有不均勻現(xiàn)象；但是 達到 103 數(shù)量級后，隨著熱管導熱系數(shù)取值的變化，換熱量變化并不大，說明給流固耦合模型設(shè)置適當?shù)膶嵯禂?shù)即可合理地模擬熱管換熱器。 （ 2）對熱管單管模型熱側(cè)為高溫氣體的情況，利用 件提供的射模型，計算了常用的不同成分的煙氣在不同工況下的輻射換熱量，模擬結(jié)果表明：煙氣的吸收系數(shù)從 大到 5。煙氣吸收系數(shù)對輻射換熱量的影響不大，煙氣 溫度才是輻射換熱量的決 定因素。煙氣溫度超過 600時，輻射所占百分比大于 5%，應(yīng)予以考慮。在模擬常用的不同成分高溫煙氣時，吸收系數(shù)可近似取為 1。 （ 3）在探索得到熱管換熱器模擬中幾個重要參數(shù)的選擇基礎(chǔ)上，建立了湍流狀態(tài)下螺旋翅片熱管單管的三維換熱模型。 對 影響螺旋翅片管管外傳熱的翅片幾何參數(shù)（翅片高度、間距、厚度）進行了詳細 計算 分析 ，得到了 單管螺旋翅片熱管的 擬合得到了兩種不同表達形式的傳熱準則數(shù) （ 4） 建立了湍流狀態(tài)下螺旋翅片熱管管束的三維換熱模型，研究了排列方式以 及水平間距對熱管管束的傳熱與流動的影響。 順排、叉排 兩種排列方式對比發(fā)現(xiàn)，叉排時流體在管間交替收縮和擴張的彎曲通道中流動，比順排時在管間直通道的流動擾動劇烈。 計算結(jié)果表明叉排時平均 平均壓降比順排時大 這個結(jié)論表明，相同管間距下順排管束的換熱強度比叉排低，但管外流動阻力的降低幅度要小。在布管時要綜合考慮這兩方面的因素。 水平間距對于 熱管換熱器的傳熱能力存在最佳位置，且不同排列方式下，最佳位置不一樣。本模型中選用直徑 16片高度 6順排時，最佳水平間距為 42排時，最佳水平間距為 40種排列方式下水平間距增大或減少，都能使傳熱性能有所減弱。 （ 5）對本文中建立的各種傳熱模型建立了熱管外對流換熱的場協(xié)同理論。計算結(jié)果表明 對于在相同管間距的條件下， 順排時最佳水平間距 42其 對應(yīng)的平均協(xié)同角最小，為 叉排時最佳水平間距為 40應(yīng)的平均協(xié)同角最小，為 本文利用 件對熱管換熱器單管及管束進行了數(shù)值模擬研究，并用場協(xié)同理論對結(jié)果進行了分析，為進一步模擬計算熱管換熱器提供了新 的依據(jù)。 關(guān)鍵詞： 熱管換熱器； 螺旋翅片熱管；數(shù)值模擬； 場協(xié)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 目錄 摘 要 . I . 1 章 緒論 . 1 題背景 . 1 氣熱管換熱器應(yīng)用介紹 . 2 片管及螺旋翅片管研究進展 . 5 擬及場協(xié)同理論 . 8 用數(shù)值計算方法的比較 . 8 限容積法的 件概述 . 10 協(xié)同理論簡介 . 12 文的研究內(nèi)容與思路 . 14 要研究內(nèi)容 . 14 究的目的與意義 . 15 第 2 章 數(shù)值模型及參數(shù)選擇 . 16 何模型 . 16 理模型 . 17 制方程 . 17 格劃分 . 18 解器的選擇 . 19 制方程的離散與求 解 . 20 界條件的確定 . 2020 數(shù)選擇 . 20 況參數(shù) . 20 量導熱系數(shù) . 21 射模型 . 21 擬結(jié)果及驗證 . 22 章小結(jié) . 25 第 3 章 螺旋翅片熱管模型 . 27 理模型 . 27 值模型 . 27 格劃分 . 28 算結(jié)果及分析 . 29 片高度的影響 . 29 片間距的影響 . 30 片厚度的影響 . 31 熱準則方程 . 32 旋數(shù)目對模擬結(jié)果影響的驗證 . 33 束模擬 . 34 束模型 . 35 界條件及收斂條件 . 35 管排列方式的影響 . 36 管水平間距的影響 . 38 章小結(jié) . 39 第 4 章 場協(xié)同分析 . 40 協(xié)同機理簡介： . 40 協(xié)同理論的實例分析與驗證 . 42 型建立 . 42 型的驗證 . 44 算結(jié)果 . 44 協(xié)同理論分析 . 45 管熱管換熱器內(nèi)換熱和流動場協(xié)同分析 . 46 旋翅片熱管場協(xié)同分析 . 47 片高度對協(xié)同角的影響 . 47 片間距對協(xié)同角的影響 . 48 片厚度對協(xié)同角的影響 . 48 旋翅片管束 的場協(xié)同分析 . 49 束排列方式對協(xié)同角的影響 . 49 管水平間距對協(xié)同角的影響 . 49 章小結(jié) . 51 第 5 章 結(jié)論與展望 . 52 論 . 52 望 . 53 參考文獻 . 54 符號表 . 59 在讀期間發(fā)表論文及獲獎情況 . 61 致 謝 . 62 第一章 緒論 題背景 能源是發(fā)展國民經(jīng)濟的重要物質(zhì)基礎(chǔ)，是人類賴以生存的必要條件，能源的開發(fā)和利用程度直接影響著國民經(jīng)濟的發(fā)展和人民物質(zhì)文化生活水平的提高，余熱回收是合理利用能源、節(jié)約能源、提高能源利用率等方面不可忽視的問題。熱管及由此而構(gòu)成的熱管換熱器作為一種新型的高效換熱器在余熱回收領(lǐng)域發(fā)揮著重大作用。熱管換熱器屬于熱流體與冷流體互不接觸的表面式換熱器。 熱管換熱器與其他形式的換熱器比較起來有許多的優(yōu)點，但其最獨特的有以下幾點： 1） 傳熱性能好：熱管換熱器優(yōu)良傳熱性能的獲得，首先是在兩流體側(cè)都方便地實現(xiàn)了翅化，增大了冷熱流體的熱交換面積 ， 大大減小了兩側(cè)的對流熱阻，因而強化了整個傳熱過程；其次，把傳統(tǒng)的換熱器的交叉流型改為純逆流流動，在不改變冷熱流體入口溫度的條件下增大了該傳熱過程中冷熱流體換熱的平均溫壓；再次，把一側(cè)氣體的管內(nèi)流動改為垂直外掠流動。這三方面的原因可使熱管換熱器較其他形式的換熱器的傳熱性能好得多。 2）冷、熱流體兩側(cè)的傳熱面可以自由布置：熱管 換熱器的傳熱元件是熱管，其蒸發(fā)段、冷凝段長度及翅化比按給定的傳熱量、流體溫度、流量以及各流體的性質(zhì)及清潔程度等兩側(cè)獨立決定，互不牽連。這就從結(jié)構(gòu)上確保熱管換熱器能適用于溫度、流量及清潔程度相差懸殊的兩種流體間的傳熱。這一特點，其他形式的換熱器均不具有。 3）傳熱面局部破壞時，能確保兩流體彼此不摻混 ， 熱管換熱器杜絕流體間摻混現(xiàn)象。在這種換熱器中，當某個熱管元件某一端殼壁損壞時，造成的影響僅僅是該元件失效而停止傳熱。兩種流體仍被元件另一端的殼壁隔開。通過元件殼壁的泄漏不會發(fā)生，因而能確保流體的品質(zhì)不致變壞。再加 上單根熱管元件損壞后更換方便，并不影響換熱器整體，因而在流體品質(zhì)要求嚴格，冷熱流體不能相互污染的情況下進行熱交換時，熱管換熱器自然是理想的換熱設(shè)備。 4）熱管換熱器有較高的防積灰堵灰能力：熱管是煙氣在管外壁流動橫掠換熱，煙氣的擾動性加強。再加上熱管壁溫高，管外始終呈干燥狀態(tài)，因此，也就不會結(jié)膜不易黏附煙灰，因而它就能有效地防止堵塞。 5）熱管換熱器有較高的抗低溫腐蝕的能力：在設(shè)計中可根據(jù)工況特點調(diào)整熱管加熱段和冷凝段的長度，以及通過調(diào)整低溫處熱管冷、熱兩段翅片的間距、數(shù)量等辦法來調(diào)整煙氣側(cè)與空氣側(cè)的換熱面積 ，從而達到控制熱管壁溫的目的，使煙氣側(cè)壁溫高于運行工況露點溫度，從而避免露點腐蝕。 按照熱流體和冷流體的狀態(tài)，熱管換熱器可分為氣 氣式、氣 液式、液 液式。從熱管換熱器結(jié)構(gòu)型式來看，熱管換熱器可分為整體式、分離式、回轉(zhuǎn)式和組合式 1。熱管換熱器的應(yīng)用已從 20世紀 60年代末用于宇航的熱控制，擴展到到目前的電子工業(yè)、余熱回收、新能源及化學工程等眾多方面，且收到了顯著的效果。 熱管熱流密度的可調(diào)節(jié)性使它可以用于高熱流密度的電子 元器件，提高了電子元件的穩(wěn)定性和使用壽命。我國青藏鐵路地基工程中也用到了熱管，其作用是將路基的熱量導出來，從而使這個由凍土構(gòu)成的路基不會融化。目前，青藏鐵路的線路和設(shè)備設(shè)施都保持了正常的運行狀態(tài) 2 化學反應(yīng)往往有熱效應(yīng)相伴隨的，對于放熱反應(yīng)，需要及時移走熱量，而對于吸熱反應(yīng)，則需及時供給熱量才能維持化學反應(yīng)的正常進行。利用熱管換熱器移走化學反應(yīng)熱或供給化學反應(yīng)熱 4，可以把化學反應(yīng)控制在理想的溫度范圍內(nèi)內(nèi)進行， 從而可以得到高質(zhì)量的產(chǎn)品，提高產(chǎn)量。 在余熱回收方面的，工業(yè)排氣的溫度往往高達上百度，將熱管換熱器用于工業(yè)排氣的余熱回收中，可回收余熱，使之加熱空氣作為助燃空氣使用或作為烘房的熱源；可以加熱水，用作鍋爐給水，或使水產(chǎn)生蒸汽供其他方面使用；也可以加熱排氣本身，避免腐蝕排煙設(shè)備。 氣熱管換熱器應(yīng)用介紹 圖 1 氣式熱管換熱器。通過這種換熱器的兩種換熱流體都是氣體。由于在熱管上增加了翅片，這就克服了氣體換熱系數(shù)小的缺點，使得 所需的換熱熱管數(shù)目大大減少。在所有的氣 以與 熱管換熱器競爭的只有板翅式換熱器。但換熱流體通過板翅式換熱器的壓力降卻要比熱管換熱器大得多。由于氣 力降小，所以其被用在眾多熱量回收場合。 圖 1 氣式熱管換熱器 管式空氣預熱器是常見的氣 氣型熱管式換熱器，它是利用排煙余熱，預熱進入爐子的助燃空氣，不僅可以節(jié)約燃料，提高燃料的利用率，還可以減輕對環(huán)境的污染。因此，熱管空氣預熱器在余熱回收利用中得到非常廣泛的應(yīng)用。 福建省永安發(fā)電 廠 2 130 t/h 型燃用無煙煤鍋爐， 1987年加裝前置式熱管空氣預熱器，低溫段空氣預熱器入口風溫由 30 40 升高到 85 90 ，排煙溫度由151降低到 133，鍋爐效率提高了 。四川成都熱電廠 5 煤粉爐， 1987 年利用熱管式空氣預熱器代替臥式玻璃管空氣預熱器，排煙溫度降低了 灤河發(fā)電廠 2煤粉爐， 1991 年利用熱管式空氣預熱器代替回轉(zhuǎn)式空氣預熱器，年經(jīng)濟效益 250萬元 5。由于熱管式換熱器 具有小溫差下傳遞大熱量的特點，在一一般電站鍋爐中作為前置式的空氣預熱器，將會回收利用大量能源 6。上海第八鋼鐵廠在四車間軋鋼加熱爐上采用氣 氣型熱管式換熱器，將助燃空氣從 20預熱到 80 90，廢氣從 280下降到 190，每小時回收廢氣余熱為 419 。 氣 氣熱管換熱器還可由管內(nèi)充有不同工質(zhì)的熱管組成，稱為組合式熱管換熱器。這在高溫熱管換熱器中應(yīng)用較多。高溫熱管換熱器根據(jù)工作溫度的高低，分別使用了高溫、中溫、低溫三種管內(nèi)充有不同工質(zhì)的熱管組成了組合式熱管換熱器。實踐證明，高溫熱管換熱器的應(yīng)用是成功的。 (1)高嶺土噴霧干燥 高嶺土是化工、造紙、建材中一種重要的添加劑，其濃度高達 63%一 66%，料漿粘度為 500此高濃度、粘度的料漿噴霧干燥具有一定難度 8。關(guān)鍵是有較高溫度的熱風，希望熱風溫度達到 500，由于 對高嶺土的白度有較高的要求，因之在干燥過程中應(yīng)該力求避免污染物混入料粉中。以燃燒煙道氣為熱源的高溫熱管式空氣加熱器非常適合于這種要求。常溫空氣由鼓風機自熱管換熱器的底部進入熱管換熱器低溫段，經(jīng)中溫段及高溫段加熱達 500后排出，進入噴霧塔作為干燥熱風。從煤燃燒爐出口的煙氣溫度達 900 1100，由換熱器頂部向下流動與冷側(cè)空氣形成逆流換熱，溫度降到 200以下由引風機排入煙囪。該設(shè)備 1994年 2月正式投入使用， 1994年 5月對換熱器進行測試，結(jié)果如表 2 表 1驗測量數(shù)據(jù) 氣側(cè) 煙氣側(cè) 進口溫度 出口溫度 流量（標況） m/h 進口溫度 出口溫度 流量（標況） m/h 33 33 33 34 34 451 455 478 490 503 38 741 750 782 821 188 190 192 195 198 896 (2)十二醇硫酸鈉噴霧干燥 十二醇硫酸鈉是優(yōu)良的陰離子表面活性劑，能有效的降低表面張力，是牙膏生產(chǎn)的重要原料之一，還廣泛應(yīng)用于洗滌劑、化妝品、醫(yī)藥、紡織品、石油開采 及電鍍行業(yè)。十二醇硫酸鈉是一種熱敏感性多泡性物質(zhì)，改造條件十分苛刻。即干燥所需的高溫熱源 (450 500 )一般采用煤氣直接燃燒產(chǎn)生的煙氣 9。對于沒沒有煤氣或煤氣很貴的地方，熱源成為一個大難題。如使用液化氣、輕柴油等其他熱源，均會對十 二醇硫酸鈉產(chǎn)生污染而影響色澤。如采用換熱方式加熱空氣，則一般的板式、列管式、板翅式所能提供的熱源溫度一般在 400以下，且熱效率低，并且大多數(shù)不適合于以煤氣為燃料的煙道氣，而熱管的各種特性非常適合于這一難題的解決。由煤燃燒爐產(chǎn)生的高溫煙氣 (950 850 )直接進入高溫熱管換熱器的吸熱段 (熱管的蒸發(fā)段 )遂步經(jīng)過高溫熱管區(qū)、中溫熱管區(qū)、低溫熱管區(qū)降至 200以下排入煙囪。空氣由常溫 20進入熱管換熱器的放熱段，通過熱管與煙氣的逆流換熱被加熱至 470 500去噴霧干燥塔。 高溫熱管換熱器在噴霧干燥中的應(yīng)用 研究取得成功，并已收到了令人滿意的實際效果，根據(jù)現(xiàn)場測試的參數(shù)表明，高溫熱管換熱器達到的某些性能指標，是其它類型熱風發(fā)生器所達不到的，因而在某些特定工況條件下也是無法取代的。 片管及螺旋翅片管研究進展 翅式管換熱器是一種帶翅的管式熱交換器，在動力、化工、制冷等工業(yè)中有廣泛的應(yīng)用。翅片管換熱器由于在管表面上加翅，不僅傳熱面積增加，而且可以促進流體的湍流，所以傳熱系數(shù)比光管可提高 110。在空調(diào)制冷行業(yè)中， 對對它的研究不僅有利于提高換熱器的換熱效率和整體系統(tǒng)性能，而且對改進翅片換熱器的設(shè)計型式，推出更加節(jié)能、節(jié)材的緊湊式換熱器有著重要的指導意義。 自一九四八年美國德克薩斯州煉油廠首次全部采用翅片管空氣冷卻器代替?zhèn)鹘y(tǒng)的水冷器以來，發(fā)展十分迅速 11。五十年代起，英國新建的幾家煉油廠也也全部采用了翅片管空氣冷卻器。同時，翅片管換熱器逐步從煉油化工業(yè)，擴展到了電力、冶金和原子能等工業(yè)部門，其應(yīng)用日益廣泛。 國外全部采用空氣冷卻器的 煉油廠