同轴径向热管流动与传热特性的数值模拟研究

发布时间：2020-04-14 08:20

【摘要】：近年来我国环境污染问题日益严重,能源消耗量逐年增加,因此节能减排政策迫在眉睫。而热管换热器正是在这个大形势下应运而生,其具有的压力损失小,换热效率高,结构紧凑,运行性能优越等特点,已成为工业领域内重要的节能设备。如今无论是化工行业还是钢铁行业,都存在有大量含腐蚀性的余热烟气,以径向热管作为传热元件的热管换热器能有效防止露点腐蚀等问题。因此本文针对应用于低温余热回收领域的同轴径向热管的传热及流动特性进行了深入研究,主要完成了以下工作内容:(1)搭建径向热管试验台,在不同工况条件,操作条件和结构条件下获得热管的传热特性,并选取适当的实验数据验证稳态数值模型及CFD模型结果。同时文中具体分析了MIXTURE和VOF两相流模型的数值计算区别,考虑气液表面张力以及工质的物性变化影响,并添加UDF函数建立同轴径向热管相变模型,实现径向热管内蒸发和冷凝现象的模拟。(2)采用FLUENT 16进行热管的蒸发冷凝计算,“可视化”的观察到了冷凝壁面上液滴的生成、合并、脱落及气泡的产生的全过程。结果表明VOF模型能清晰的观察到气液界面分布规律,而MIXTURE模型能精确的计算出管内速度矢量分布及液膜厚度对冷凝壁面换热的影响,同时数值模型的温度分布与实验所测结果基本一致,通过网格无关性检验,两者误差保持在5%之内,验证出CFD数值模拟的准确性。(3)对径向热管稳态传热过程详细分析,并结合工程热力学定容恒热流稳定加热过程,添加管内工质质量守恒条件,推算出充液率对热管蒸汽温度的拟合关系式。同时根据热管热平衡关系及管内质量守恒条件编写了热管稳态数值计算的MATLAB程序及GUIDE界面程序,计算分析出热管在不同工况参数,结构参数,操作参数下的最大换热效率,换热总热阻以及各传热过程的平均温度值变化。计算得出随着充液率达到44.8%时,径向热管稳态换热性能达到最佳效果,最后对比热管实验结果,证明该数值计算的可行性和准确性。(4)结合努赛尔经典凝结换热模型,推导出径向热管冷凝壁面处的液膜厚度及局部换热系数公式,并利用MATLAB拟合出热管稳态情况下,沿着管壁处的平均液膜厚度分布及局部换热系数分布,结果表明液膜对径向热管的传热特性具有很大的影响。(5)建立径向热管非稳态数学模型,对热管各个传热过程建立集总参数数学模型,并简化管内复杂两相流动,分析出热管输入功率和冷却水流速对径向热管启动过程的影响。研究结果对余热锅炉的启动运行具有一定指导意义。
【图文】：

示意图,示意图,换热装置,热管

2b.重力热管图 1-1 热管工作原理示意图热管自问世以来一直被认为是非常有效的换热装置，它能通过很小的截远距离地转移大量的热能，同时不需要外加的动力。由于热管具有优越力，其中有区别于其他换热装置的基本特性：热流可变性，良好的等温性逆性、高导热性、热开关性能（热二极管）、环境的适应性、恒温特性[4]虽然热管获得了国内外学者广泛研究，但其内部复杂的相变传热传质情人员如今还是对这种高效的换热装置的机理不是很成熟。国内外基于热

径向热管,基本结构

图 1-2 径向热管基本结构1.2.2 径向热管的特点同传统的轴向热管比较，径向热管由于特殊结构更具有良好的等温性能。在硫酸回收装置中使用的省煤器，选用最多的是径向热管换热器，它不仅可以高整体的壁温，还防止热管露点腐蚀。由于管径工质流动阻力很小，体积小，构比较紧凑轻便，得到工业的广泛使用。径向热管省煤器中烟气和水流程的特性能[8]，主要有以下基本特点：（1）能有效的提高热管壁面的温度，，防止热管产生露点腐蚀现象在硫酸装置产生的烟气中 SO2的含量比较高，要求烟气冲刷的壁面温度于 160℃可以防止热管露点腐蚀现象。同时径向热管外管换热面积要远大于冷管的面积，壁面温度可以有效的提高，进而防止了热管露点腐蚀。（2）运行可靠性能大大提高径向热管换热器由于外管的保护，其冷却水的出入口都在装置外，可以有
【学位授予单位】：安徽工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TK172.4

【参考文献】