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1、精品论文中温热管换热器的换热特性研究夏国栋，王丹，焦永刚（北京工业大学环境与能源工程学院，北京 100124）5摘要：本文建立了由萘热管和水热管组成的中温热管换热器的数值计算模型，其中针对热管 的边界条件提出一种新的定义方法。计算分析了换热器内的流场和温度场，通过定义热管内 的蒸汽温度分析了换热器中热管的工作状态。结果表明热流体入口速度越小和入口温度越高 时，管内蒸汽温度越大；热管内传热特性受管外流体温度场的影响很大。针对中低温热管衔10接处的爆管现象提出了不同的解决方案，为中温热管换热器的设计提供了参考依据关键词：中温热管换热器；萘热管； 数值模拟；管内蒸汽温度中图分类号：TK-9Study
2、 of heat transfer characteristics of the moderate15temperature heat pipe heat exchangerXia Guodong, Wang Dan, Jiao Yonggang(College of Environmental and Energy Engineering, Beijing University of Technology, Beijing100124)Abstract: This paper established the numerical calculation model of the moderat
3、e temperature heat20pipe heat exchanger consisting naphthalene heat pipe and hydrothermal heat pipe and presented a new method to define the boundary condition of the heat pipe. It analyzed the state of flow and temperaturefields and the heat pipe working state within the definition of the vapor tem
4、perature inside heat pipe.The results showed that the smaller the hot fluid inlet velocity, and the higher the inlet temperature, the greater the temperature of the vapor temperature inside heat pipe; the vapor temperature inside heat25pipe depended on the fluid temperature distribution outside heat
5、 pipe. Meanwhile some solutions were proposed to the phenomenon of burst pipes in the convergence department by the moderate temperatureheat pipes and low temperature heat pipes and provided a reference for the future research in the moderate temperature heat pipe heat exchanger.Key words: kmoderate
6、 temperature heat pipe heat exchanger; naphthalene heat pipe; numerical30simulation; the vapor temperature inside heat pipe0引言工业余热是指工业生产过程中在热能转换设备内未被利用的能源。我国工业余热资源 十分丰富。据统计，在钢铁、有色、石化、建材、轻工等主要工业领域，余热资源率平均达35到 7.3%。但是我国余热资源回收率低，平均余热资源回收率只有 34.9%1。大量的余热资源 没有得到有效的利用，这是造成我国能源利用率低下的一个极为重要的原因。加大回收余热 资源力度，提
7、高能源的利用效率，具有十分重要的现实意义。近年来热管换热器越来越多的 用于余热回收。但是常温的热管换热器只能用于流体温度低于 300，而工业上的余热多数 高于 300，故常温热管换热器不能满足需要。在此基础上，出现了中温热管换热器。中温40热管换热器是由中温热管和常温热管组合在一起的组合式热管换热器。由于应用的越来愈 多，对于中温热管换热器的研究也愈来愈重要。Munzel 等人2使用导热姆-A 为工质，研究 了碳钢和不锈钢为管材的中温热管。日本的 Noboru Ezawa 等3,4在 20 世纪 80 年代初研制了 用于抛物面槽式热管太阳能集热器的中温热管接收器。Heine 和 Groll 等
8、人5对其它有机工质基金项目：国家自然科学基金(51176002)；高等教育博士学科研究基金 (20111103110009)资助项目 作者简介：夏国栋( 1963-) , 男, 教授.，微电子设备的冷却及微尺度流动与传热，气液两相流动与传热，先 进流动与传热测试技术及其应用. E-mail: E-mail:xgd- 10 -的中温热管做过研究，如正辛烷、联苯等。吴季培6就不锈钢-萘热管的有关传热性能等进45行了讨论。姚寿广7对萘和甲基吡硌烷酮两种充装工质的大型中温热管进行的性能试验所得 数据进行了分析，比较了两种热管的起动及传热性能等方面的特性。郑攀8主要针对应用于 太阳能空调的中温热管进行研
9、究，建立热管传热的数学模型，运用流体计算软件分析热管结 构参数对内部流场和温度场的影响。周红9介绍了将利用热管技术回收有机载体锅炉排烟热 能损失，充分利用能源，其中采用了中温重力热管。邹琳江10采用实验的方法，研究分析50了中温萘热管的热工特性。张亮11为了找出中温区两相闭式热虹吸管工作介质的各自最佳 适用温度范围，为中温热管的工业应用提供参考，对选用的 3 种介质在同等条件下进行系列 性能试验。综上所述中温热管换热器的研究主要集中在实验研究，相比之下中温热管换热器的数值 模拟研究还比较少。其中热管换热器的数值模拟研究中，热管边界条件的定义有以下几种：55将热管定义为定壁温边界条件；采用多孔介
10、质模型，用容积孔隙度定义热管的存在；应用耦 合源模型，通过UDF定义函数编程描述热管边界条件。由文献12可知，热管的独立变量为 加热段热流密度和饱和蒸汽温度或饱和蒸汽压力。其中将换热器中的热管定义为定热流密度 的边界条件的研究还很少。因此本文对中温热管换热器的数值模拟研究中热管的定义提出一 种新的方法，将换热器中不同排的热管设置为不同热流密度。分析换热器中的温度场、流场，60以及换热器中热管的工作状态，为中温热管换热器的数值模拟提供一种新的参考。1数值模拟对中温热管换热器数值模拟研究中，根据迭代过程得出每排热管的热流密度，即首先通 过热管换热器的总换热量计算出每排热管的热流密度，将这些热流密度
11、带入到数值模拟计算 中，根据数值模拟结果和热管热流密度计算公式再次计算出每排热管的热流密度。最终将计65算出的热流密度带入到每排热管中，对热管换热器再进行一次数值模拟计算，最终完成中文 热管换热器的数值模拟计算。1.1物理模型中温热管换热器中，热量通过热管内工作介质蒸发和冷凝的相变过程从高温流体传递到 低温流体。因此，可以将热管换热器看作是由热管内工作介质相变传热藕合在一起的两台独70立的换热器13，蒸发段和冷凝段。故对蒸发段和冷凝段分别进行数值模拟。用数值模拟计 算方法研究热管换热器内换热情况必须建立符合实际气体运行和传热的几何模型，图 1 和图2 分别给出了换热器的物理模型和局部几何模型。
12、图 1物理模型图 2局部几何模型Fig.1physical modelFig.2 partial geometric model中温热管换热器由 12 排热管组成，其中前 7 排为萘热管，后 5 排为水热管。热管的排列方式为叉排，即第 1 排 25 根，第 2 排 24 根，诸如此类依次排列。热管的横向间距和纵向75间距都是 55mm。其中水热管和萘热管管径都为 25mm，蒸发段和冷凝段等长 750mm。 中温热管换热器由烟气加热空气，其中蒸发段烟气的流量为 9058m3/h，以 420进入换热器。冷凝段空气流量为 4556m3/h，进口温度为 20。1.2控制方程由于中温热管换热器结构的复杂
13、性，热管周围的流场十分复杂。对中温热管换热器进行80数值模拟时，需要对热管换热器内的流体进行简化，假设流体的流动和换热处于稳定状态， 流体是不可压缩的，物性为常数。质量守恒方程：动量方程：xi( rui ) = 0（1）i k85 ( ru u ) = - p + ( rmuk )（2）xi流体区域的能量方程：xkxi( ruiT ) = T r （3）固体区域的能量方程：xixi xi r T +S=0 （4）901.3热管热流密度的确定换热器总传热量：xi xi ( )每根热管换热量：95式中 n-热管换热器中热管的根数 单根热管热流密度：Qh = Vh rhCpQ = Qh / nth
14、- th（5）（6）q = Q Ah（7）Ah = p d0l（8）1001.4计算及边界条件流体与固体区域采用分离式求解器耦合求解。动量方程、连续方程误差限设置为 110-5， 能量方程误差限设置为 110-8。入口边界条件为速度和温度边界条件；出口边界条件为压力 出口边界条件；固体壁面为无滑移，绝热边界条件；设置每根热管的热流密度边界条件。1051101.5网格无关性检验对中温热管换热器进行数值模拟时，网格质量决定了数值计算的准确性，所以要进行网 格独立性检验。以热流体入口温度为693K，入口速度2.5m/s的中温热管换热器为例，网格数 分别为28.04、38.21、46.34、54.06
15、、65.04万和网格数为80.46万的计算单元得出的进出口压 降最大误差分别为8.02%、3.32%、1.01%、0.12%、0.08%。因此，此计算网格单元数采用54.06 万。1.6不同排热管热流密度的确定采用上述方法对中温热管换热器进行数值模拟研究，分析换热器中的温度场。计算出中 温热管换热器内 12 排热管蒸发段和冷凝段热管壁面的温度。根据国标中热管传热量的计算公式115Q= Twh -TwcRt式中Twh-蒸发段热管外表面平均温度，； Twc-冷凝器热管外表面平均温度，； Rt-总热阻，/W。（9）120Rt 采用经验值，将热管蒸发段和冷凝段热管壁面温度 Twh ，Twc 带入到（8
16、）式中得到每排 热管的热流密度。将这些热管的热流密度值重新代入 1.4 热管边界条件中，再次对中温热管 换热器进行数值模拟计算。2数值模拟结果及分析2.1流动特性文献14给出了 Re 的计算公式Re = ruHm（10）125130式中 H -为入口界面长度，m。图 3Re=600 时的流动特性图 4Re=1400 时的流动特性Fig.3 Flow characteristic for Re=600Fig.4 Flow characteristic for Re=1400图 3 和图 4 分别给出的是 Re=600 和 1400 时热管换热器蒸发段内的局部流动特性。流 体流过热管时，在热管的背
17、风侧贴近壁面处热流体流速较小，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脱离，部分热流体逆流，出现回流区。回流区中 热流体速度减小，对流换热较弱。比较两图可以看出不同质量流量流体在换热器中流动情况 是不同的。Re=600 时，背风侧的回流区较大；Re=1400 时，背风侧的回流区较小，流体混 合程度较好，说明 Re 较大时有利于强化传热。图 5 换热器内热管局部速度矢量图图 6 换热器内热管局部速度流线图Fig.5 Local velocity vector pattern of heat pipe in heatexchangerFig.6 Local flow pa
18、ttern of heat pipe in heat exchanger135140145150155从图中 5 和图 6 中可以看出，在绕流尾迹区形成一对旋转方向相反的对称漩涡，此漩涡称为卡门涡街。当流体绕流热管出现卡门涡街时，由于流体在管子两侧交替地释放漩涡，其 绕流情况是不一样的，流动阻力也不同，而且有周期变化。在某一时刻，一侧刚释放完涡街， 热管周围流动阻力较小，绕流得到改善，流动速度较大，侧面静压较低。与此同时正准备释 放漩涡的另一侧，热管周围阻力较大，流体绕流较差，速度较慢，侧面静压较小。因而，在 阻力较大一侧产生垂直于气流方向的推力。由于涡街的交替出现，于是产生相反的推力，即 卡
19、门涡街作用力。卡门涡街作用力方向的交变性主要是由于在管子尾迹流的卡门涡街中，两 列漩涡的旋转方向相反，并且周期性均匀交替脱落引起的。当涡街作用力的交换频率与热管 弹性结构的固有频率相耦合发生共振现象时，容易造成换热器的振动问题。采取降低流体流 速、增大换热器中热管的管间距等相应措施都可以防止热管换热器振动，振动问题涉及到换 热器的安全运行与使用寿命，所以这也是设计和使用热管换热器中常常需要考虑的问题。2.2传热特性分析2.2.1壁面传热特性分析图 7 Re=600 时的温度等势线图 8 Re=1400 时的温度等势线Fig.7 Contours of temperature for Re=60
20、0Fig.8 Contours of temperature for Re=1400图 7 和图 8 分别给出了蒸发段 Re=600 和 1400 时热管周围流体区域的温度场等势线。 两图表明管束周围的温度等势线比其他区域的密集，温度梯度大，热流体温降快。同时，背 风侧回流区的热流体温度比其他区域流体的温度低，比如 Re=600 时，热管背风侧的温度为594.79K，周围的温度为 632.71K，这是因为热流体在背风侧回旋，与热管换热时间长，周 围的热流体不能及时的进入到这部分，导致热流体的温降较大。比较两图明显发现，热流体入口质量流量增加，Re 从 600 增加到 1400 时，流体区域的温
21、度分布比较均匀，并且热流体 温度比较低。这是因为随着热流体质量流量的增加，流体的扰动性增加，有利于强化传热， 使热流体的热量更多传递给热管。2.2.2流体传热特性分析（a）热流体不同入口速度时蒸发段流体温度的变化情况（b）热流体不同入口温度时蒸发段流体温度的变化情况Fig.(a) The changes of the fluid temperature ofthe evaporator section when the hot fluid inlet velocity is differentFig. (b) The changes of the fluid temperature ofthe
22、 evaporator section when the hot fluid inlet temperature is different（c）热流体不同入口速度时冷凝段流体温度的变化情况（d）热流体不同入口温度时冷凝段流体温度的变化情况Fig. (c) The change of the fluid temperature ofthe condensation section when the hot fluid inlet velocity is differentFig. (d) The changes of the fluid temperature ofthe condensatio
23、n section when the hot fluid inlet temperature is different160165图 9 不同热流密度时冷热段流体的温度变化情况Fig.9 The temperature change of the hot and cold segment fluidWhen the heat density is different图 9 中分别给出了换热器中热流体和冷流体的温度分布，其中冷热流体采取逆流方式流动。数值模拟结果表明，已知换热器内热流体入口流速为 1.5m/s，入口温度为 693K；冷流 体入口速度为 2.5m/s，入口温度为 293K。热流体温
24、度降为 533.23K，冷流体升高到 332.82.K， 完全满足热平衡条件，说明本文中模拟方法的准确性。从图中可以看出由于前排冷热流体温 差比较大，流经前排中温热管的流体温度曲线斜率较大。同时从图中还可以看出相比热流体 入口温度对冷热流体温度变化的影响，流体温度受流速的影响比较大。图 9 中还可以看出在 Y 坐标为-5555mm 和 550650mm 处流体温度的变化速率与其他 位置相比变化缓慢，主要由于这部分流体处于冷热流体入口和出口处，周围没有布置热管， 所以换热效果没有那么好。1702.2.3壁面传热特性分析Nu 的计算公式h dNu = f 0l（11）图（a） 热流体入口速度不同时
25、蒸发段热管壁面平均Nu 随着管排的变化情况图（b） 热流体入口温度不同时蒸发段热管壁面平均 Nu 随着管排的变化情况Fig .(a) Heat pipe wall surface average Nu in theevaporator section with the changes in the tube row when the hot fluid inlet velocityis differentFig .(b) Heat pipe wall surface average Nu inthe evaporator section with the changes in the tube
26、 row when the hot fluid inlet temperature is different图（c）热流体入口速度不同时冷凝段热管壁面平均Nu 随着管排的变化情况图（d）热流体入口温度不同时冷凝段热管壁面平均 Nu 随着管排的变化情况Fig .(a) Heat pipe wall surface average Nu in thecondensation section with the changes in the tube row when the hot fluid inlet velocityis differentFig .(d) Heat pipe wall sur
27、face average Nu inthe condensation section with the changes in the tube row when the hot fluid inlet temperature is different175180图 10 热管壁面平均 Nu 随着管排的变化情况Fig.10 Heat pipe wall surface average Nu with the changes in the tube row图 10 描述了当热流体入口条件不同时，热管壁面平均 Nu 随着管排的变化情况。图（a）可以看出随着入口速度的增大，沿着流动方向管壁面平均 Nu
28、 逐渐变大。因为热流体流过叉 排排列的热管管束时，后排管子都处于前排管子的尾流中，扰动作用比较强。在尾流涡旋的 作用下，后排管子的平均 Nu 比前排的高。对于同一排热管，由于高速流体绕流流过热管时，185190流动的扰动性增强，换热强度增大，故流体的入口速度越大，热管壁面平均 Nu 越高，简而言之较大入口速度有利于热管的换热。图（b）给出了热管壁面平均 Nu 随着热流体不同入 口温度的变化情况。随着入口温度的升高，同排热管壁面平均 Nu 越来越大，这主要因为冷 凝段流体入口温度是不变的，随着蒸发段入口热流体温度的升高，热流体和冷流体之间的温 差变大，换热能力增强。对比（a）（b）图可知，相比热
29、流体入口温度，流体入口速度对蒸 发段热管壁面换热影响比较大。图（c）和（d）给出换热器冷凝段流体入口温度是 293K，入口速度为 2.5m/s 时，热流 体入口速度、温度不同时冷凝段热管壁面平均 Nu 随着管排的变化情况。沿着流动方向，热 流体逐渐放热，冷流体逐渐被加热，冷热流体的温差逐渐变小，造成沿着流动方向热管壁面 平均 Nu 逐渐降低。2.2.4热管工作状态分析文献15给出了热管内蒸汽温度的计算公式： R + R+ R t + t R + R+ R t + t vt = ho lh hi c c + ci lc co h h （12）Rt 2 Rt 2 195200205式中Rt-热管的
30、传热热阻，/W；Rho-蒸发端热管外表面与热流体的对流换热热阻，/W；Rh-蒸发端管壁径向导热热阻，/W；Rhi-管内蒸发热阻，/W；Rci-管内冷凝热阻，/W；Rc-冷凝端管壁径向导热热阻，/W；Rco-热管外表面与冷流体的对流换热热阻，/W；图 11 不同热流体入口速度时管内蒸汽温度随着管排的变化情况图 12 不同热流体入口温度时管内蒸汽温度随着管排的变化情况Fig .11 The vapor temperature inside heat pipewith the changes in the tube row when the hot fluid inlet velocity is d
31、ifferentFig .12 The vapor temperature inside heat pipewith the changes in the tube row when the hot fluid inlet temperature is different图 11 给出的是热流体入口温度为 693K，入口速度变化时热管换热器中热管内蒸汽温度 随着管排的变化情况。从图中可以看出随着入口流速的增加，热管内的蒸汽温度逐渐降低的。 这主要是因为随着流速的增加，热流体的扰动性增强，热流体与热管之间的换热性增强，热 管传递更多的热量。图中还可以看出，沿着流动方向上，相比后排水热管，热流体入
32、口速度210215220225230235240245对前排中温萘热管内蒸汽温度影响比较大。相比入口速度为 1.5m/s 时，当入口速度为 2.5m/s时，第 3 排萘热管内蒸汽降低了 1.25%，第 11 排热管内的蒸汽温度降低了 0.28%，相差 0.96%。 图 12 描述的是热流体入口速度均为 2.5m/s，改变热流体入口温度时，热管换热器中热管内蒸汽温度随着管排的变化情况。图中给出热流体入口温度从 683K 增加到 703K，同排 热管内蒸汽温度逐渐增大。同时还可以看出沿着热流体的流动方向上，热管内的蒸汽温度是 降低的。热管内蒸汽温度及热管工作性能决定了管外流体的温度场，而管外流体温
33、度场的分布又 影响管内蒸汽温度，为保证热管换热器正常运行，管内蒸汽温度不允许超过其许用值。文献 16给出中温萘热管内蒸汽工作温度范围为 523K673K，低温水热管内蒸汽工作温度极限小 于 523K，但是必须大于 323K。管内蒸汽温度低于工作温度范围时，热管将无法启动；但是 蒸汽温度超过极限，将会发生爆管现象。文献17中给出当碳钢-水热管换热器周围的流体温 度不能高于 573K，当碳钢-水热管周围流体温度高于此温度时，热管内蒸汽温度将高于极限 工作温度。并且在实际生产中，常规设计方法设计的中温热管换热器长期运行中，常常出现 前几排管子破裂，后几排管子处于不工作或者工作状态不佳的情况。为了保证
34、中温热管换热 器的正常运行，必须严格控制热管内的蒸汽温度。从图 11 中可以得到流体入口速度从 1.5m/s 变化到 3.5m/s 时，第 1 排萘热管内蒸汽温度 最高为 600.17K，小于萘热管的工作极限温度，这部分萘热管都可以正常工作。图 9（a）与 图 11 表明当第 8 排和第 9 排热管周围流体温度达到 595.12K 时，管内的蒸汽温度最低为524.21K，都高于水热管的极限温度。当热流体入口速度低于 2.0m/s 时第 10 排水热管周围 流体温度最低为 566.37K，管内蒸汽温度最低为 522.79K，超过或者是接近了水热管的工作 极限温度，也会发生爆管现象。故当热流体入口
35、速度达到或者低于 2.0m/s 时萘热管和水热 管衔接处的水热管由于热管内温度过高无法正常工作。从图 12 中可以看出热流体入口温度在 683K703K 范围内变化时，同样第 1 排萘热管内 的蒸汽温度都在萘热管工作温度范围之内，能正常工作。图 9（b）与图 12 中给出第 8 排和 第 9 排水热管周围流体温度都高于 570.73K，管内蒸汽最低温度超过了水热管工作温度极限， 会发生爆管。当热流体入口温度高于 688K 时第 10 排水热管处于流体温度高于 560.91K 的 情况下，管内的蒸汽温度达到了 527.74K，超过了水热管工作温度极限，也会发生爆管。故 当热流体温度达到或者超过
36、698K 时，萘热管和水热管衔接处的水热管无将法正常工作。第12 排水热管内的蒸汽温度最低的为 513.78K，高于水热管的启动温度 323K，这部分热管可 以正常启动。结合图 11 和图 12 的分析可以看出管外流体的温度是连续变化的，而管内蒸汽温度是间 断的，这就造成了中低温热管衔接处水热管常常处于非正常的工作状态下。针对这种情况， 有以下解决方案，第一种是对这部分热管进行局部强化，如文献18用水与三乙基乙二醇的 混合物做工作介质，可以使管内蒸汽温度提高到 278；文献19中在水-碳钢水热管内部插 入同轴分流管，管内蒸汽温度降低 1530。第二种是降低热流体入口参数，但会降低余热 回收的效
37、率。第三种根据热管的工作状态，改变热管的布置，比如增加萘热管的排数。3结论通过对中温热管换热器数值模拟计算，得出换热器的流场和温度场，分析热流体不同入 口温度和速度对热管换热器的流动、换热及热管内蒸汽温度的影响，得出如下结论：（1）Re 较大时有利于流体的扰动，改善传热，但是当速度过大时热管周围流体的绕流增强，250255热管容易发生共振现象，所以要合理的控制流体的速度。（2）改变热流体的入口温度，热流体入口温度在 683K703K 范围内变化时，热流体温度越 高换热器热管内蒸汽温度越高，热管的传热性能越好；但是当热流体入口温度过高时，热管 内蒸汽温度高于热管的工作极限温度，会发生爆管现象。改
38、变热流体入口速度，热流体入口 速度在 1.5m/s3.5m/s 范围内变化时，热流体入口速度越大，换热器中热管内蒸汽温度越低； 过低的热流体入口速度，会导致热管内蒸汽温度超过热管的工作极限温度，也会发生爆管现 象。（3）换热器内中低温热管衔接处的热管容易发生爆管现象，由于管内蒸汽温度是不连续性 的，而管外流体是连续变化的。为了发挥中温热管换热器的优越性，保证换热器长期安全 工作，本文中针对热管爆管现象提出了相应的解决方案，为以后研究提供参考依据。参考文献 (References)2602652702752802851 . 孟嘉. 工业烟气余热回收利用方案优化研究D. 武汉:华中科技大学, 20
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