高温热管换热器模拟设计_孙世梅
高温热管换热器局部强化传热数值模拟
收稿日期:2007206201作者简介:孙世梅(19662),女,吉林长春人,教授,吉林大学在读博士后,主要研究高效传热传质设备与热管技术。
文章编号:100027466(2007)0620055204高温热管换热器局部强化传热数值模拟孙世梅1,张 红2(1.吉林建筑工程学院,吉林长春 130021; 2.南京工业大学,江苏南京 210009)摘要:高温热管换热器由管内充有不同工作介质的热管组成。
在不同温度区域,具有不同工作介质的热管通过管内介质蒸汽温度的可调性安全衔接在一起,管内蒸汽温度受管外流体温度场及热管内传热性能的影响很大,而热管内的传热性能又影响着管外流体温度分布。
为协调管内外流体温度分布,对高温热管换热器进行局部强化传热研究,借助SINDA/FL U IN T 热分析计算软件合理准确预测管内外流体温度场分布,为高温热管换热器提供经济可靠的设计依据。
关键词:高温热管换热器;强化传热;计算流体动力学中图分类号:TQ 051.502 文献标志码:ANumerical Analysis of Local H eat T ransfer E nhancement forHigh T emperature H eat Pipe H eat ExchangerSUN Shi 2mei 1,ZHANG H ong 2(1.Jilin Architect ural and Civil Engineering Instit ute ,Changchun 130021,China ;2.Nanjing U niversity of Technology ,Nanjing 210009,China )Abstract :High temperat ure heat pipe heat exchanger consist s of heat pipes containing differentworking medium.In t he different temperat ure region ,heat pipes wit h t he different working medi 2um are linked up safely by cont rolling of t he vapor temperat ure inside heat pipe.The vapor tem 2perat ures inside heat pipe depend on t he fluid temperat ure dist ribution out side heat pipes and t he heat transfer capacities of heat pipes.Meanwhile ,t he heat t ransfer capacities of heat pipe affect t he fluid temperat ure dist ribution out side heat pipe.In order to coordinate vapor temperat ure in heat pipe ,numerical analysis of local heat transfer enhancement for high temperat ure heat pipe heat exchanger has been presented ,t he fluid temperat ure field out side heat pipe in high tempera 2t ure heat pipe heat exchanger has been predicted accurately in virt ue of t he novel CFD technolo 2gy ,and t hen t he design of high temperat ure heat pipe heat exchangers can be more economical and credible.K ey w ords :high temperat ure heat pipe heat exchanger ;heat t ransfer enhancement ;CFD 在冶金、化学、陶瓷、建材及轻工等工业生产中,常需要500℃以上的清洁空气以满足助燃、干燥和供氧等需要,使用高温热管空气加热器可以很方便地达到这一要求,并且从根本上解决常规空气加热器所无法解决的传热难题[1]。
基于多物理耦合的高温热管流动传热和力学特性研究
基于多物理耦合的高温热管流动传热和力学特性研究
焦广慧;代丽红;夏庚磊;王建军;彭敏俊
【期刊名称】《原子能科学技术》
【年(卷),期】2024(58)1
【摘要】研究高温碱金属热管内工质的流动、传热和力学特性,对热管冷却反应堆的安全具有重要意义。
本文采用COMSOL Multiphysics有限元软件构建了高温碱金属热管的多物理耦合模型,针对热管内工质的流动传热特性以及管壁的热膨胀效应进行了数值模拟研究。
结果表明:本文模型的计算结果与实验值的相对误差小于1%,可准确模拟高温热管的流动传热特性;在额定功率下,沿轴向的压力梯度和温度梯度较小,说明热管具有较好的等温性,但相比于冷态有最大1.75%的总形变;热管的传输功率提高会显著影响热管内工质的运行状态,同时加大热管的形变量。
【总页数】9页(P60-68)
【作者】焦广慧;代丽红;夏庚磊;王建军;彭敏俊
【作者单位】哈尔滨工程大学核安全与仿真技术国防重点学科实验室;中国舰船研究设计中心
【正文语种】中文
【中图分类】TL331
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斜置式热管蒸汽发生器传热规律的数值模拟研究
斜置式热管蒸汽发生器传热规律的数值模拟研究张明芝;仲崇宝【摘要】用FLUENT软件与对热管蒸汽发生器的温度场分布进行模拟,从结果中取两个截面作为研究对象.其次采用压力入口条件,对其进行计算,截取同样的两个截面进行对比.最后采用不同的速度入口条件,分别计算其在这两个截面上的温度场分布,通过以上计算可以得出蒸汽发生器传热规律.%The numerical simulation calculation method and fluent software unifies, simulated the temperature distribution ofrnthe heat pipe steam generator, two sections were taken from the results (or studing. Secondly, the pressure inlet conditions arerncalculated and intercept of the same two-section lo compare. Finally, different velocity inlet conditions were calculated inrnthese two sections on the temperature distribution. Through the above calculations can be seen that the steam generator healrntransfer temperature distribution.【期刊名称】《石油化工高等学校学报》【年(卷),期】2012(025)003【总页数】3页(P67-69)【关键词】蒸汽发生器;热管;数值模拟【作者】张明芝;仲崇宝【作者单位】中国石油抚顺石化分公司,辽宁抚顺113008;辽宁石油化工大学机械工程学院,辽宁抚顺113001【正文语种】中文【中图分类】TE9661 热管蒸汽发生器简介热管蒸汽发生器是石油化工领域中，为充分利用化工余热及生产水蒸气的重要设备。
换热器发展历史
换热器发展历史中国换热器产业起步较晚。
1963年抚顺机械设备制造有限公司按照美国TEMA标准制造出中国第一台管壳式换热器，1965年兰州石油机械研究所研制出我国第一台板式换热器，苏州新苏化工机械有限公司（原苏州化工机械厂）在20世纪60年代研制出我国第一台螺旋板式换热器。
之后，兰州石油机械研究所首次引进德国斯密特（Schmidt）换热器技术，原四平换热器总厂引进法国维卡勃（Vicarb）换热器技术，国内换热器行业在消化吸收国外技术的基础上，开始获得较快发展。
20世纪80年代后，中国出现了自主开发传热技术的新趋势，大量的强化传热元件被推向市场，国内传热技术高潮时期的代表作有折流杆换热器、新结构高效换热器、高效重沸器、高效冷凝器、双壳程换热器、板壳式换热器、表面蒸发式空冷器等一批优良的高效换热器。
参考文献：中国机械工业联合会1换热器是在具有不同温度的两种或两种以上流体之间传递热量的设备，又称热交换器、热交换设备。
换热器的主要作用是在工业生产中使热量由温度较高的流体传递给温度较低的流体，使流体温度达到工艺流程规定的指标，以满足过程工艺条件的需要。
换热器被广泛使用于石油、化工、电力、冶金、船舶、机械、暖通空调、食品、制药、航空、环保、城市供热及其它工业领域。
换热器不仅是工业部门保证某些工业流程和条件而广泛使用的通用热工设备，也是开发利用工业二次能源、实现余热回收和节能的主要设备。
换热器行业充分体现了节能环保，是一个处于蓬勃发展期的朝阳产业。
二）换热器行业主要产品分类在工业生产中，凡用来实现冷热流体热量交换的设备，统称为换热器。
换热器作为传热设备随处可见，在工业中应用非常普及，特别是耗能用量十分大的领域，随着节能技术的飞速发展、换热器的种类开发越来越多、适用于不同介质、不同工况，不同温度、不同压力的换热器、结构和型式亦不同、换热器种类随新型、高效换热器的开发不断更新。
在化工生产中换热器可作为加热器、冷却器、冷凝器、蒸发器和再沸器等，更加广泛地得到应用。
高温高压下的燃气_空气热管换热方案
２４
火箭推进
２００８ 年 ８ 月
下， 完成同样的传热任务换热器较椭圆热管换热 器要长 ５￣６ｍ， 热管要增加 １１４￣１５７ 排。由于热管 加工要求较高， 管内工质必须纯净， 否则会腐蚀 管材； 管内需要安装吸液芯结构； 对热管需进行 封装， 热管的加工成本较管材成本要高出 ５ 倍多， 因此， 完成相同换热任务的椭圆热管换热器就比
２．０９ １００．４４ ８９．６５ ８４．５３
表 ３ 椭圆热管和圆热管不同内径换热器结构参数 Ｔａｂ．３ Ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ｏｆ ｅｌｌｉｐｓｅ ａｎｄ ｃｉｒｃｌｅ ｈｅａｔ－ ｐｉｐｅｓ ｆｏｒ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｉｎｎｅｒ ｄｉａｍｅｔｅｒ ｅｘｃｈａｎｇｅｒ
热管
箱体内 径／ｍｍ
中图分类号： Ｖ４１６
文献标识码： Ａ
文章编号： （２００８） ０４－ ００２２－ ０５
Ｈｉｇｈ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ａｎｄ ｈｉｇｈ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｇａｓ／ａｉｒ ｈｅａｔ－ ｐｉｐｅ ｈｅａｔ ｅｘｃｈａｎｇｅｒ ｓｃｈｅｍｅ
Ｘｉｅ Ｚｈｅｎｂｏ１， Ｌｉｕ Ｗｅｉｑｉａｎｇ２， Ｌｉ Ｈｏｎｇｗｅｉ１， Ｔａｎｇ Ｙｕａｎｈｅｎｇ１，
摘 要： 以高温高压燃气加热高压纯空气为研究背景， 用平均温差法对气－ 气热管换热
器设计计算， 进行结构方案设计， 采用有效度－ 传热单元数法对换热器传热进行校核计算。设
计换热器为圆柱形筒壁结构， 出口为渐缩型喷管结构， 采用半轴比为 ２／１ 的椭圆形热管。
苯乙烯装置中的高温换热器设计
（ ＩＯ Ｅ ｈｎｈｉ ｎｉ ｅ ｎ ｏ ， ｔ．Ｓ ａｇａ ２０ ２ ， ｈ ａ ＳＮ Ｐ Ｃ Ｓ ａｇａ Ｅ ｇｎ ｒ ｇＣ ． Ｌｄ ，ｈ ｈｉ ０ １０ Ｃ ｉ ） ｅｉ ｎ ｎ Ａ ｓ ａｔＴ ｅｉｔ ｍ ｄａ ｅｔ ｘｈｇｒ ｎｔｅｓ ｒ ｅｐａｔｓｗ ｒｉｇｕ ｄｒ ｉ ｍ ｅａ ｒ ｏｅ ０ ｅ ｂ ｔ ｃ：ｈ ｅ ｅ ｉｅｈａ ｅｃａｅ ｉ ｈ ｔ ｅ ｌ ｏ ｎ ｎ ｅ ｈ ｔ ｐｒｔ ｅ ｖｒ ０ｄ－ ｒ ｎｒ ｔ ｙｎ ｎ ｉ ｋ ｇ ｅ ｈ ｕ ８
ｅｈ ｃ ． ｎａ ｅ ｎ ｄ
Ｋｅ ｏｄ ： ｍ ｅａ ｒ；ｈａ ｅｃ ａｇｒ ｏ ｅｔ ｅｉ ｙｗ ｒｓ ｈ ｔ ｐｒｔｅ ｅｔ ｘｈ ｅ；ｄｍ ｓｃｄ ｓ Ｊ ｅ ｈ ｇ ｕ ｎ ｉ ｎ ｇ
１ 前 言 在 苯 乙烯装 置 中 ， 乙苯脱氢制 苯 乙烯 的反应 过程
２ 引进 设 备 的情 况
从 ２ 纪 ８ 代 至 今 ， 国 已引 进 了数 十 套 ０世 ０年 我 苯 乙烯装 置 。工艺 流 程主要 来 源于 两家 专利 商 。就 乙苯脱 氢 流程 而 言 ， 家 专 利商 的工 艺 路 线 大 同小 两
异 ， 备设 计 有所 不 同 ， 均在 不 断地改 进 。 以其 中 设 且
关键词 ： 高温 ； 热器 ； 换 国产 化设 计 ；
中 图 分 类 号 ：Ｑ ５ ． Ｔ Ｏ １５ 文献标识 码 ： Ａ 文 章 编 号 ：０ １ ８７ ２０ ）５ ０９—０ １０ —４３ ｛０６ ０ —０２ ３
Ｄｅ ｉｎ ｆＨ ｉｈ Ｔｅ ｐ ｒ ｔ ｒ ａ ｃ ａ ｅ ｏ ｔ ｒ ｎ ａ ｓｇ ｏ ｇ ｍ ｅ ａ ｕ ｅ Ｈｅ ｔＥｘ ｈ ｎｇ ｒｆ ｒ Ｓ ｙ ｅ ｅ Ｐｌｎｔ
换热器的热力模型及举例仿真
换热器的热力模型及举例仿真在换热器的热力模型中，我们可以将换热器的流程分解为以下几个基本过程：热量传递、流体流动和物质交换。
这些过程通常由换热器的结构和操作条件（如温度、压力、流速等）所决定。
下面我们将以一个简单的换热器模型为例，进行仿真分析。
假设我们有一个水平放置的固定管程式换热器，其中冷流体从下往上流动，热流体从上往下流动。
冷流体作为传热面，而热流体则为传质面。
该换热器的结构参数包括管子直径、管间距、流体的流速等。
在模型建立方面，我们首先需要定义各个物理量的数学表达式，包括流体温度、流体压力、传热量、传热系数等。
这些量的表达式通常基于物性方程、流体流动方程、传热传质方程以及边界条件。
我们还需要选择合适的数学模型来描述这些过程，例如热量传导模型、流体流动模型等。
接下来，我们需要设置仿真参数，包括仿真时间、仿真步长、初始条件等。
然后，我们可以通过数值求解这些数学方程来得到仿真结果。
在求解过程中，我们需要考虑数值稳定性、数值误差等问题。
举例来说，我们可以设定冷流体的初始温度为50℃，初始压力为1bar。
热流体的初始温度为80℃，初始压力也为1bar。
冷流体的入口温度和出口温度分别为30℃和60℃，热流体的出口温度为40℃。
通过这些参数，我们可以进行仿真计算，得到在不同时间步长下的流体温度、压力、传热量等随时间的变化情况。
通过仿真结果，我们可以评估换热器的性能，包括传热效率和传质效率。
如果仿真结果与实验结果存在较大差异，我们可以调整模型参数或结构参数，重新进行仿真计算，直到得到满意的结果为止。
总之，换热器的热力模型和仿真分析可以帮助我们更好地理解换热器的性能和操作条件，为优化换热器的设计和运行提供有力支持。
热管换热器传热性能及温度场数值模拟
第55卷第3期化工学报Vol.55N32004年3月Jour nal of Che mical Industr y and En g i neeri n g (Chi na >March 2004妥妥妥妥妥妥妥妥妥妥妥妥妥妥、、、、研究简报热管换热器传热性能及温度场数值模拟孙世梅张红(南京工业大学机械与动力工程学院 江苏南京210009>关键词热管换热器传热性能温度场数值计算中图分类号TG 021文献标识码A文章编号0438-1157(2004>03-0472-04NU MERI CAL S I MULAT I ON OF T~ER MAL PERFOR MANCE ANDTE MPERATURE F I ELD I N ~EAT PI PE ~EAT EXC ~ANGERSUN Shi m ei and Z ~ANG ~on g(COlle g e O f M ec hanic al and PO w er En g ineenin g Nan j in g Uniuersit $O f T ec hnOlO g$ Nan j in g 210009 Jian g s u China >Abstract M at he m ati c model f or t her m al p erf or m ance of heat p i p e heat exchan g er based on t he heattransf er model Was p resent ed.The i nfi nit e vol u m e model Was used t o cal cul at e t he overall t her m al p erf or m ance and t he t e m p erat ure fi el d of heat p i p e heat exchan g er.T he calculati on results essentiall y co i nci ded W it h t he results of an en g i neeri n g case and p rovi ded t he t heoretical base f or en g i neeri n g a pp licati on .Ke y Wor ds heat p i p e heat exchan g er t her m al p erf or m ance t e m p erat ure fi el d nu m eri cal cal cul ati on2003-04-07收到初稿 2003-08-16收到修改稿.联系人及第一作者!孙世梅 女 38岁 副教授 博士研究生.引言热管换热器是工业领域中应用广泛~经济有效的换热设备之一 对其传热性能的研究一直是热管界学者普遍关注的课题.采用传统换热器设计理论即对数平均温差法和有效度 传热单元法对热管换热器进行传热计算已有大量的文献报道 1～3] 但采用数值分析的方法研究热管换热器传热性能还鲜见报道.在热管换热器中 冷~热流体间的热量传递是与热管管内工作介质蒸发和冷凝的相变过程相耦合的 因此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 这两方面的综合影响决定了热管换热器的数值模拟研究具有相当大的难度.本文采用数值模拟计算方法重点研究热管换热器的传热性能及其温度场分布 为热管换热器内流场分布研究和工程应用提供参考.1数值计算模型的建立1.1热管换热器传热模型假设热管换热器沿流体流动方向分成N 段每一段由一排性能相同的热管组成.图1为第j 排热管传热计算示意图.Recei ved dat e !2003-04-07.Corres p ondi n g aut hor !SUN Shi m ei associ at e p r of essor Ph Dcandi dat e .E -m ail !sunshir ＠163.co mF i g .1~ear transf er model ofheat p i p e heat exchan g er1.2模型假设(1>热管换热器处于正常工况条件下.2热管换热器沿流动方向分成N段每一段由一排性能相同的热管组成.3流体物性不随温度变化.4同一排热管蒸发段和冷凝段管壁温度各自均匀相等.1.3控制方程在热管换热器中冷热流体间的热量传递是靠热管内工作介质蒸发和冷凝的相变过程耦合在一起的因此可将热管换热器看成由两台错流式换热器组成.故有冷流体侧P c c P c u c A c a T ca J=1c1热流体侧P h c P h u h A h a T ha J=1h2式中1c 和1h是热管换热器沿流体流动方向单位长度上传递的热量.由热平衡可知I h=I c=】N=1】Mk=1I kL=135时M=n=246时M=n-13式中n为第j排热管根数N为管排数1j k为第j排第k根热管元件传递的热量由下列公式确定1j k=UA h p T W h-T W c4式中UAh p为单根热管元件的当量热导率表示单根热管在单位温差内从蒸发段表面到冷凝段表面所传递的热量4是表征热管传热性能的主要参数受管内蒸汽温度与工作介质的物性影响很大.热管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.因此必须考虑管外对流换热的影响根据单根热管传热模型5推导出下列守恒方程1j k=KA T h-T c=T h-T cR5式中Th 与Tc分别为热流体温度和冷流体温度K为单根热管总传热系数R为单根热管总热阻.故控制方程1和2可改写成下列形式冷流体侧P c c p c u c A c a T ca x=】N=1】Mk=1T h-T cR kL6热流体侧P h c p h u h A ha T ha x=】N=1】Mk=1T h-T cR kL7 1.4数值计算方法首先采用有效容积方法对上述控制方程进行离散5为保证离散方程守恒采用交错网格如图2所示实心圆代表热管元件位置空心圆代表流体位置且流经热管元件处流体的温度采用相邻节点处流体温度的平均值.因此有冷流体侧P c c P c u c A cT c i-T c i-1丛J=-M jT h j-T c jR j丛Jj=135时M=n j=246时M=n-18T h j=T h i+T h i-12T c j=T c i+T c i-12热流体侧P h c P h u h A hT h i-T h i-1丛J=-M jT h j-T c jR j丛Jj=135时M=n j=246时M=n-19F i g.2S che m atic di a g ra m of g ri d s y ste m为了求解温度场采用松弛因子迭代法并在FORTRAN90上编制了计算程序.通过上述离散方程推导出热管换热器逆流换热的迭代公式T h i=11+B h jT h i-1+B h j1+B h jT c i-B h j1+B h jT h i-1-T c i-110 T c i=11-B c jT c i-1+B c j1-B c jT c i-1-B c j1-B c jT h i-1+T h i-111其中B h j=M j2P h u h c P h A h R j B c j=M j2P c u c c P c A c R jj=135时M=n j=246时M=n-1这里的M j代表热管换热器第j排的M根热管. 1.5初始值计算1热阻R j的确定在上述方程推导中R j代表热流体到冷流体流经第j排M根热管的总热阻可以表达为R j=1O h A h j+1UA h p+1O c A c j12 O h和O c分别是热流体侧和冷流体侧翅片热管管壁374第55卷第3期孙世梅等热管换热器传热性能及温度场数值模拟外侧有效对流换热的传热系数 由以下公式确定O h =O hhA h r +T h A h f A h O c =O c c A c r +T c A c f A c式中A h 和A c 分别是热流体侧和冷流体侧的翅片热管管外总表面积 A h r 与A h f 分别为热流体侧热管翅片间光管换热面积和翅片表面积 A c r 与A cf 分别为冷流体侧热管翅片间光管换热面积和翅片换热面积 O h h 和O ch 分别为热流体侧和冷流体侧流体横掠翅片热管管束的传热系数 由以下公式确定6O =X d 00.137Re 0.6338Pr 1313 Re =P udJ6000＜Re ＜14000 14UA h p 是单根热管的当量热导率 它的影响因素非常复杂. UA h p 不仅与管内蒸汽温度以及工作介质的物性有关 而且与热管蒸发段同冷凝段长度比 蒸发段和冷凝段管壁温度亦有很大的关系 这导致 UA h p 很难确定.文献6 通过大量的实验表明 在一定测量和允许误差范围内 在各种正常工况下 单根热管的 UA h p 是一常数.如长610mm 外径33.7mm 工质量0.77k g 的有芯碳钢 水热管 UA h p =3.36W K -1.文献 6 作者认为 UA h p 中U 是热管内部蒸发与冷凝传热系数 对碳钢 水热管 U =5810W K -1.2 边界条件的确定给定热管换热器热流体侧进出口温度以及冷流体侧进口温度.3 约束条件对于水 碳钢热管 管内最大允许蒸汽温度T v m ax ＜250 最小蒸汽温度T v m i n ）60 .热流体出口处热管管壁最小温度T W h m i n 应高于燃气露点腐蚀温度.2模拟与实验对比研究为验证上述分析的正确性 建立热管换热器实验台7热管换热器在逆流条件下操作.主要结构参数列于表1 主要性能参数列于表2.为测量冷流体侧温度分布 从冷流体进口处管排开始每隔一排热管设置一对热电偶 测量相应位置处的冷流体温度.热侧主要采用取样测试的方法 在热侧的第5排 第13排 第23排 第31排的管子轴线平面位置处和第17排与第18排的中间位置处各布置一个铠装热电偶 测量相应位置处的热流体温度. 1 热管换热器传热性能对比分析图3与图4分别表明了热流体侧与冷流体侧流体温度场的数值模拟计算值 实验测量值 E NTU 法计算值对比分析.可以看出 冷 热流体进口温度相同的情况下 温度场的数值模拟计算结果与实验测量结果吻合较好 而E NTU 法计算值与实验测量结果偏差较大 这较好地说明本文提出的热管换热器传热性能的数值计算方法是可行的.2 热管管壁温度分布对比分析图5表明了冷流体侧管壁温度的数值模拟计算值 实验测量值 E NTU 法计算值对比分析.可以看出 模拟计算结果与实验测量结果吻合较好 而E NTU 法计算值与实验测量结果偏差较大 从而证明了数值计算方法的可靠性.以上分析还可表明 数值计算方法可以较直观且方便地预测热管换热器在一定工况下冷 热流体以及蒸发段与冷凝段热管管壁的温度分布情况 为热管换热器故障诊断和事故分析提供了强有力的理论依据.Table l S truct ural p ara m eters Of heat exchan g erOutsi de di a m et erof heat p i p e mmEva p orat or l en g t hof heat p i p es mmCondenser l en g t hof heat p i p es mmF i n hei g htmmEva p orat or fi nt hi ckness mmCondenser fi nt hi ckness mm38390270122 1.2Eva p orat or fi np itchmm Condenser fi np itchmm P i p e p itch l on g it udi nal mmP i p e p itch transverse mmP i p e arran g e m ent Nu mberof r o Ws 43.866574 3 st a gg ered32Table 2D es i g n p ara m eters~ot fl ui d si deI nl et t e m p erat ureOutl et t e m p erat ureVol u m e fl o W rat e st andar d m 3 h -1Col d fl ui d si de I nl et t e m p erat ureOutl et t e m p erat ureVol u m e fl o W rat e st andar d m 3 h -12458248427176585474 化工学报2004年3月F i g .3T e m p erat ure distri buti on of hot fl ui d fl oWF i g .4T e m p erat ure distri buti on of col d fl ui d fl o WF i g .5W all te m p erat ure distri buti on of condenser secti on3结论采用数值计算方法研究热管换热器的传热性能及其温度场分布 通过与实验研究结果 E NTU 法的计算结果分析比较 验证了所提出的数值计算方法的可靠性与可行性 表明本文所建立的换热器数值模拟计算模型能够较好地预测热管换热器在一定工况下冷 热流体沿换热器长度方向的温度分布 为今后热管换热器的理论研究和工程应用提供参考.符号说明A面积 m 2c P比热容 kJ k g -1 K -1d管直径 m K总传热系数 W m -2 K -1L换热器长度 m M N热管总根数M j第j 排热管总根数n每一排热管总根数PrPrandtl 数1 热量 W 1jk 第j 排第k 根热管传热量 W R热管换热器总热阻 m 2 K W -1ReRe y nol ds 数R j第j 排热管换热器热阻 m 2 K W -1T温度 K UA h p单根热管当量热导率 W K -1u速度 m s -1J坐标 m O对流换热传热系数 W m -2 K -1T 翅片效率X热导率 W m -2 K -1J 黏度 k g m -1 s -1P密度 k g m -3下角标c冷流体h热流体i流体流动位置j 热管纵向排列位置k 热管横向排列位置W管壁Ref erences1Amode J O Fel d m an K T .Preli m i nar y Anal y si s of ~eat P i p e ~eat Exchan g ers f or ~eat Recover y .AS ME Pa p er No .75 WA~T 36.AS ME 19762Lee Y Bedr ossi an A .The Charact eri sti cs of ~eat Exchan g ersU si n g ~eat P i p es or Ther mos yp hons.I nt .J .~eat T rans f er 1978 21 4221 2293L i T i n g han 李亭寒 ~ua Chen g shen g 华诚生 .~eat P i p eD esi g n and A pp li cati on 热管设计与应用 .Bei i n g Che m i cal I ndustr y Press 19874~uan g B J T suei J T .A M et hod of Anal y si s f or ~eat P i p e~eat Exchan g ers .I nt .J .~eat T rans f er 1985 28 3553 5625Pat ankar S V .Nu m eri cal ~eat T ransf er and F l ui d F l o W .Ne WYor k M c G ra W ~ill 19906Zhuan g Jun庄骏 Zhan g~on g张红 .~eat P i p eT echnol o gy and En g i neeri n g A pp li cati on热管技术及其工程应用 .Bei i n g Che m i cal I ndustr y Press 20007Sun Shi m ei 孙世梅 Zhan g ~on g 张红 Chen D an 陈丹 Zhuan g Jun 庄骏 .S t ud y on S i mul ati on D esi g n of ~i g ht e m p erat ure ~eat P i p e ~eat Exchan g er .Pet rOle u m Che m ic alE 1ui P m ent 石油化工设备 2003 32 323 25574 第55卷第3期孙世梅等 热管换热器传热性能及温度场数值模拟热管换热器传热性能及温度场数值模拟作者：孙世梅， 张红作者单位：南京工业大学机械与动力工程学院,江苏,南京,210009刊名：化工学报英文刊名：JOURNAL OF CHEMICAL INDUSTRY AND ENGINEERING(CHINA)年，卷(期)：2004,55(3)被引用次数：16次1.孙世梅;张红;陈丹;庄骏Study on Simulation Design of High-temperature Heat Pipe Heat ExchangerPetroleum Chemical Equipment[期刊论文]-石油化工设备 2003(03)2.庄骏;张红热管技术及其工程应用 20003.PATANKAR S V Numerical heat transfer and fluid flow 19904.Huang B J;Tsuei J T A Method of Analysis for Heat Pipe Heat Exchangers 1985(03)5.李亭寒;华诚生热管设计与应用 19876.Lee Y;Bedrossian A The Characteristics of Heat Exchangers Using Heat Pipes or Thermosyphons1978(04)7.Amode J O;Feldman K T Preliminary Analysis of Heat Pipe Heat Exchangers for Heat Recovery 19761.尚钟声.丁运玲热管技术在化工领域的应用[期刊论文]-管道技术与设备 2010(1)2.刘建勇基于CFD的圆肋翅片管结构优化[期刊论文]-石油化工设备技术 2010(5)3.侯少雄高温热管在热敏物料喷雾干燥中的应用[期刊论文]-化工装备技术 2008(4)4.武克忠.李建玲.张建军多元醇PE——AMP二元体系相图[期刊论文]-化工学报 2008(4)5.郑艳妮.杨湘洪翅片热板散热器的传热数值模拟研究[期刊论文]-机械设计与制造 2007(8)6.金正兴.张毅发动机低温预热起动技术研究[期刊论文]-交通科技与经济 2007(4)7.钱剑峰.孙德兴近室温下圆翅热管翅片结构的遗传算法优化[期刊论文]-哈尔滨商业大学学报（自然科学版）2006(3)8.唐志永.金保升.孙克勤.仲兆平.卢作基电站翅片热管空气预热器变壁温数值模拟[期刊论文]-锅炉技术 2006(3)9.庄昕蓓两相闭式热虹吸管凝结换热特性的数值模拟[学位论文]硕士 200610.李逸峰火电厂湿法脱硫后热管式GGH腐蚀研究[学位论文]硕士 200611.张琳内置旋转扭带强化传热机理及清洗动力学研究[学位论文]博士 200612.李逸峰.仲兆平.唐志永.金保升烟气脱硫系统中热管式换热器流动阻力计算[期刊论文]-能源研究与利用2005(6)13.张琳.钱红卫.宣益民.俞秀民自转螺旋扭带管内三维流动与传热数值模拟[期刊论文]-化工学报 2005(9)14.王军.张红.陶汉中.庄骏热管式气液固三相固定床鼓泡反应器的传热性能[期刊论文]-化工学报 2005(3)15.喜娜CPU集成热管散热器的研究[学位论文]硕士 200516.徐旸应用SINDA/FLUINT软件对流体及传热系统的模拟与设计[学位论文]硕士 2005本文链接：/Periodical_hgxb200403006.aspx。
中温热管空气换热器的模拟研究
中温热管空气换热器的出现拓宽了工业上余热回收领域中热管换热器的应用范围，中温热管换热器作为组合式换热器特定的结构及其运行区间多变的工况决定了它的体系高度复杂，致使中温热管换热器出现设备体积过大、设备价格过高、内部部分区域热管元件工作不稳定等诸多问题[1-2]。
在工业上的实际运行中，除了出现换热器过渡段热管运行不稳定的情况外，还经常发生中温段前几排管子因温度太高而被破坏，而后几排管子因温度太低而运行状态不佳或完全不工作等问题[3]。
此类问题影响了中温热管换热器在工业上的应用，若能实现中温热管换热器从实验室研发阶段进入工业化应用阶段，不仅能极大地发展节能减排技术，还可解决诸多工业生产上的难题[4]。
本文建立了中温热管空气换热器传热数学模型，根据模型编写了VB 程序对其传热特性进行了模拟计算，给出了中温热管换热器每排热管管外温度场分布，重点研究了过渡段热管的传热情况。
同收稿日期：２０１４－０３－０４基金项目：安徽工业大学青年教师科研基金资助项目（ＱＺ２０１３０５）；安徽工业大学ＳＲＴＰ项目（２０１３００７Ｙ）；中温碳钢－萘热管换热器的开发研究资助项目（横向）作者简介：严大炜（１９８２—），男，助教，工学硕士，主要研究方向为热管、换热器、节能等．中温热管空气换热器的模拟研究严大炜1，邹琳江1，刘天娇1，翟笃棉2（1.安徽工业大学能源与环境学院，安徽马鞍山243002；2.美的集团芜湖有限公司，安徽芜湖241009）摘要：在单根萘热管传热性能理论和实验研究的基础上，对中温热管换热器内部的温度场和流场进行了研究，选用有效度—传热单元数(ε-NTU)法、离散型计算模型及V-Basic 程序，通过多次迭代对中温热管换热器内部的传热和流动进行模拟计算。
另外，采用多孔介质模型，利用Fluent 软件来近似模拟了热管换热器内部的传热情况，将程序计算结果与模拟所得数值进行了比较和误差分析，并研究了各排热管内外温度的协同作用。
基于阵列热管相变传热的质子交换膜燃料电池热管理方法[发明专利]
![基于阵列热管相变传热的质子交换膜燃料电池热管理方法[发明专利]](https://img.taocdn.com/s3/m/7bc46be629ea81c758f5f61fb7360b4c2e3f2a25.png)
(10)申请公布号 (43)申请公布日 2014.04.09C N 103715441A (21)申请号 201310695237.1(22)申请日 2013.12.18H01M 8/04(2006.01)(71)申请人孙世梅地址130000 吉林省长春市新城大街5088号吉林建筑大学(72)发明人孙世梅 石瑶(74)专利代理机构吉林长春新纪元专利代理有限责任公司 22100代理人王薇(54)发明名称基于阵列热管相变传热的质子交换膜燃料电池热管理方法(57)摘要本发明涉及一种基于阵列热管相变传热的质子交换膜燃料电池热管理方法，其特征在于：采用阵列微通道热管并联紧密镶嵌在燃料电池板上，热管管径为0.3cm—0.5cm ；其采用一种全新的热管方式进行热管理，电池内部通过热管散热，特别是处理局部过热等问题；热管的总温降是蒸汽流道，蒸发段和冷凝段的每一部分温降相加之和，因为热管的吸液芯体积很小、蒸汽流的温降也不大，所以它的热力特性很好。
(51)Int.Cl.权利要求书1页 说明书5页 附图10页(19)中华人民共和国国家知识产权局(12)发明专利申请权利要求书1页 说明书5页 附图10页(10)申请公布号CN 103715441 A1/1页1.一种基于阵列热管相变传热的质子交换膜燃料电池热管理方法，其特征在于：采用阵列微通道热管并联紧密镶嵌在燃料电池板上，热管管径为0.3cm—0.5cm ；具体步骤如下：1）制作阵列微通道热管，采用两片彼此平行的82mm×30mm×0.3mm 的铜制面板，将3-9根焊接好的彼此平行的长方形铜条，按等间距镶嵌在两片铜制面板之间，并对铜制面板的四圈做密封处理；2）在相近的长方形铜条与上下两块铜制面板中间形成了长方形的流道，上下热管的铜制面板厚度为0.3mm ；3）热管顺序分三段即蒸发段长度35mm 、绝热段10mm 和冷凝段35mm ；4）将制作好的热管插装在燃料电池的每个工作板之间，其中热管的蒸发段装在燃料电池内部，冷凝段在外部，热管的蒸发段与冷凝段成90--120度角，绝热段连接在蒸发段和冷凝段的中间，热管内的相工质为水。
高温热管换热器的应用前景
高温热管换热器的应用前景
孙世梅;张红
【期刊名称】《化工机械》
【年(卷),期】2004(031)002
【摘要】根据高温热管换热器的结构特点列举了几项高温热管换热器成功应用的实例,并对其应用前景及目前存在的问题作一简要分析,提出几点建议.
【总页数】3页(P116-118)
【作者】孙世梅;张红
【作者单位】南京工业大学;南京工业大学
【正文语种】中文
【中图分类】TQ051.5
【相关文献】
1.大型高温热管换热器温度场热态模拟实验研究 [J], 孙世梅;张红;庄骏
2.高温热管换热器设计参数的模拟计算 [J], 沈妍;傅瑞丽;安震;王中贤;张红
3.高温热管换热器稳定性设计及结构参数优化 [J], 孙世梅;张红
4.高温热管换热器局部强化传热数值模拟 [J], 孙世梅;张红
5.高温热管换热器优化设计 [J], 孙世梅;张红;陈丹;庄骏
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收稿日期:2002 11 23作者简介:孙世海(1966 ),女(汉族),吉林市人,副教授,在读博士研究生,主要从事高效传热传质设备研究。
文章编号:1000 7466(2003)03 0023 04高温热管换热器模拟设计孙世梅,张 红,陈 丹,庄 骏(南京工业大学机械与动力工程学院,江苏南京 210009)摘要:采用离散型计算模型,运用有效度 传热单元数( NTU)法,通过多次迭代对高温热管换热器进行模拟计算,并进行了试验验证,结果表明,模拟计算结果和试验结果基本吻合。
为高温热管换热器的设计提供了方法,同时亦为其经济性的校核提供了依据。
关 键 词:换热器;高温热管; NTU 法;模拟计算中图分类号:TQ 051 502 文献标识码:ASimulation design of high temperature heat pipe heat exchangerSUN Shi mei,ZHANG Hong,CHEN Dan,ZHUANG Jun (Nanjing Universi ty of Technology,Nanji ng 210009,China)Abstract :Simulation calculation for the high temperature heat pipe heat exchanger(HTHPHE)was carried out by iteration usinga discrete calculation model and transfer uni ts ( NTU)method The reliability of the method was verified by a series of experi men ts for HTHPHE The experi mental results agree well with the theoretical si mulation calculation The results not only can use to desi gn HTHPHE,but also to deliver the approach for proofin g the economizationKey words :heat ex changer;high temperature heat pipe;NTU method;si mulation calculation 符 号 说 明R热阻, /W K 总传热系数,W/(m 2 K)t 温度,A 总传热面积,m 2c p 比定压热容,J/(kg ) 上标:h 为热流体,c 为冷流体,j 为第j 排热管。
q m质量流量,kg/s下标:h 为热流体或热侧,c 为冷流体或冷侧,w 为管W 热容量,W/ 壁,o 为外部,i 为内部,v 为蒸汽,p 为热管,NTU 传热单元数1为进口,2为出口,min 为最小值。
传热有效度近年来,随着高温热管技术的发展,高温热管换热器在工业中得到了一定的应用,并显示出广阔的前景[1]。
但在实际工程应用中,由于缺乏高温热管换热器的设计经验,造成了诸如中温段和低温段前几排耐热管管子破裂、高温段后几排热管处于不工作状态或非正常工作状态以及设备庞大、制造成本昂贵等问题。
为提高高温热管换热器设计的合理性和经济性,加快高温热管换热器的工业化进程,采用离散型计算模型,运用有效度 传热单元数( NTU)法,建立了高温热管换热器内温度场和流场的计算模型,并通过试验验证了模拟计算模型的准确性。
1 模拟计算数学模型假设热管换热器沿流动方向分成N 段,每一段由1排性能相同的热管组成。
第j 排热管传热模型见图1。
整个数学模型的建立采用分步考虑的方法,首先把热管换热器内的热管视为高效传热元件,认为其在任何工作温度下传热能力无限大。
然后再考虑第32卷 第3期2003年5月石 油 化 工 设 备PETRO C HE MICAL EQUIPME NTVol 32 No 3M ay 2003热管本身的诸如传热极限和工作温度范围等特性。
图1 热管换热器传热模型已知冷、热流体的进口温度和流量,给冷流体的出口温度赋1个假定值,应用热管换热器的离散型计算模型,运用有效度 传热单元数法对高温热管换热器进行逐排计算。
冷、热流体流过1排热管前后,其物性变化不大,可认为冷、热流体在流过1排热管前后的物性恒定。
根据热量平衡可得:c h j p q h m (t h j 1-t h j 2)=c c j p q c m (t c j 2-t c j1)(1)根据传热方程可得:W j m i n =min(W j h ,W j c )(2)NTU j =K j A j /W j min (3)R j c =W j min 2W j h W j c(4) j=1-exp -NTU j (1-R jc )1-R j c e xp -NTU j (1-R jc )(5)如果W j h <W j c ,则:j =(t h j 1-t h j 2)/(t h j 1-t c j 1)(6)如果W j h >W j c ,则:j =(t c j 2-t c j 1)/(t h j 1-t c j 1)(7)联立上面几式可以得到冷、热流体流经第j +1排热管时热流体的进口温度t h(j +1)1和冷流体的出口温度t c (j +1)2。
如果W j h <W j c ,则:t c(j +1)2=t c j1=t c j 2-R j c j t h j11-R j cj(8)t h(j +1)1=t h j 2=t h j 1- j (t h j 1-t c j 1)(9)如果W jh >W jc ,则:t c(j +1)2=t c j1=t c j2- j t h j11-j(10)t h(j +1)1=t h j 2=t h j1-c c j p q c m (t c j 2-t c j1)c h j p q h m(11)依次逐排计算,直至得到冷流体相对于整台高温热管换热器的进口温度值。
考虑热管本身的一些特性,将由模型第一部分计算得到的冷流体出口温度值作为第二部分计算时冷流体出口温度的初始假定值,然后利用热量平衡原理和传热方程计算得到冷、热流体流经第j 排热管时热流体的出口温度t h j2和冷流体的进口温度t c j1,最后由热管传热热阻模型得第j 排热管管内蒸汽温度[2]。
t jv =R j h +R j wh +R j hi R j p t c j 1+t c j22i i +R j ci +R j wc +R j c R j p t h j 1+t h j22i i(12)根据由式(12)计算得到的热管管内蒸汽温度,结合第j 排热管管内所充装的工质种类判断第j 排热管是否处于正常工作温度范围。
为了便于计算,用VB 编译了1个高温热管换热器模拟计算程序。
2 试验研究2 1 试验装置本试验主要是测试高温热管换热器在一定工况下的温度场和流场分布,与高温热管换热器模拟计算结果进行比较,来验证文中所提出的模拟计算算法的可靠性。
试验装置见图2。
利用燃油控制器QYC 调节烟气的进口温度和流量,利用8 09No 6 3型鼓风机的配套风门调节空气流量,用CL Y 型毕托管和孔板流量计测量烟气出口处的工质流速,用ZRQF J 型智能风速仪测量空气进口流速。
用BY 型U 形压力计测量空气和烟气流过高温热管换热器各温度段的压力降。
用热电偶测量烟气进口温度T 1、出口温度T 2、空气出口温度T 3、进口温度T 4、孔板流量计测试处烟气温度T 5、空气侧部分热管管壁温度、空气在所布测试点处温度、烟气在所布测试点处温度、高温热管换热器各温度段相邻区域的烟气和空气温度。
各种热电偶通过补偿导线和接线柱引接到惠普测温仪,将惠普测温仪和计算机串接,通过计算机来存储记录试验数据。
图2 高温热管换热器综合性能试验装置为了尽量避免热损失,整个高温热管换热器和进出口管道用耐火砖、保温石棉和硅酸盐保温,所有的热电偶线用玻璃纤维或瓷管绝缘。
为了降低热空气的排空温度,热空气经管壳式换热器冷却后排空。
用引风机将烟气排空。
2 2 试验结果分析2种工况下高温热管换热器内温度场和流场分布、试验结果及模拟计算结果的比较见图3~图4。
24 石 油 化 工 设 备 2003年 第32卷图3不同工况下换热器内空气温度试验值与计算值图4 不同工况下换热器内烟气温度试验值与计算值在中温段,大部分曲线斜率比低温段空气出口处的斜率要小,并且从低温段进入中温段后曲线斜率陡然降低,说明中温段部分热管的传热能力受到热管传热极限的制约。
利用各种传输限的计算公式进行理论计算,发现汞热管传热性能差主要是受到携带限的制约而引起的[3]。
这一点可以通过改善汞热管管内结构加以克服,但具体结果还有待对汞热管单管性能的进一步研究才能确定。
在低温段,温度曲线斜率的变化主要是由冷、热流体间温差变化所引起的,而非水热虹吸管受到传热极限的制约。
在高温段,计算值出现平行于横轴的线段,是因为该区域钠热管管内蒸汽温度计算值低于钠热管启动温度值,因此理论上可认为处于此状态下的钠热管传热能力为0。
同样,在高温段其它地方曲线斜率呈抛物线型的变化,也说明高温段还存在部分传热能力受到传热极限制约的热管。
2 3 误差分析由图3可以看出,空气温度的试验值和计算值间偏差较大。
可能是测量空气温度的镍铬 镍硅热电偶丝的偶头在空气的吹动下接触了翅片表面,而导致试验所测得的空气温度值实际为翅片表面某处的温度值。
为了判断分析是否正确,根据翅片的一维稳态导热模型,计算得到在试验工况下,中低温段翅片根部和端部的温差处于0~7 。
这说明中低温段冷侧翅片表面温度近似均匀分布,可选用空气侧翅片根部温度,即空气侧热管管壁温度和空气温度的试验值进行比较。
通过比较看出,两者非常接近,偏差在0~15 。
证实了上面分析的正确性,也反映了模拟计算结果的可靠性。
图4中试验值与计算值吻合较好,两者偏差在0~20 。
试验值较计算值偏高可能与试验中各物理量的测量误差和相关理论计算公式的精确性有关。
由图中曲线走势看出,在中低温段和高中温段交界处烟气温度变化异常。
这可能与此处焊缝不严,而使设备在运行过程中吸入了一定量冷空气有关。
3 结语(1)按照普通热管换热器设计计算程序设计制造的高温热管换热器存在许多不合理之处,如各段管排数远超过了实际所需的管排数,没有避免传热极限对热管传热能力的约束,无法保证充装不同工质的热管处于合理的工作温度范围等。
为有效发挥高温热管换热器的优越性,保证其长期安全运行,对高温热管换热器进行模拟优化研究是非常必要的。