斜置式熱管蒸汽發(fā)生器傳熱規(guī)律的數(shù)值模擬研究

張明芝， 仲崇寶

（1.中國石油撫順石化分公司，遼寧撫順113008；2.遼寧石油化工大學機械工程學院，遼寧撫順113001）

1 熱管蒸汽發(fā)生器簡介

熱管蒸汽發(fā)生器是石油化工領域中，為充分利用化工余熱及生產(chǎn)水蒸氣的重要設備。熱管蒸汽發(fā)生器與一般的蒸汽發(fā)生器相對比，其傳熱效率、熱傳導率、余熱的利用率和蒸汽發(fā)生率都極高［1］，廣泛應用于石油煉化的節(jié)能改造。因此，對熱管蒸汽發(fā)生器傳熱性能的研究已成為眾多換熱設備研究中非常重要的研究課題。

本文對熱管斜置呈30°排列蒸汽發(fā)生器進行模擬研究，其結構如圖1所示，左側為蒸發(fā)段，右側為冷凝段，蒸發(fā)段工質為油漿、冷凝段工質為水。油漿作為高溫熱源，把熱量傳給熱管內(nèi)部介質，熱管內(nèi)介質受熱由液態(tài)變?yōu)闅鈶B(tài)，并從左端往右端運動，熱量由此傳遞給右側。右側熱管內(nèi)介質熱量通過對流換熱的方式傳給冷凝段內(nèi)的水，水受熱由液態(tài)變?yōu)闅鈶B(tài)。而熱管內(nèi)介質在傳熱過程中由氣態(tài)變?yōu)橐簯B(tài)，在重力和毛細力的作用下又從右端回到左端，此過程周而復始的進行。

Fig.1 The arrangement by angle of heat pipe steam generator圖1 蒸汽發(fā)生器斜置排列方式

2 熱管蒸汽發(fā)生器溫度場的數(shù)值模擬

2.1 物理模型

熱管蒸汽發(fā)生器實際的尺寸和結構比較復雜，要和實際相同進行模擬，網(wǎng)格數(shù)目會較多，計算比較麻煩，易發(fā)生結構偏差，使計算結果偏離實際。故只能選取結構中的一部分進行數(shù)值模擬。采用高900 mm，蒸發(fā)段寬為300mm，冷凝段寬為150mm。蒸發(fā)段入口溫度為533K，冷凝段溫度為233K［2］。

在gambit模塊下完成三維模型的建立和網(wǎng)格的劃分，網(wǎng)格采用三角形網(wǎng)格。標準K－ε模型，采用SIMPLE算法求解，能量方程采用二階迎風格式離散化方法，近壁面處理采用標準壁面函數(shù)［3］。

邊界條件設定為：油漿和水入口為質量流量入口，出口為壓力出口，壓力為20Pa；對于碳鋼－水熱管，單根熱管的當量熱導率取3.36W／K，熱管內(nèi)部蒸發(fā)與冷凝傳熱系數(shù)取5 810W／K［4］；熱管內(nèi)管壁厚忽略不計，直徑為20mm，熱管外管直徑42 mm，熱管壁厚忽略不計，熱管橫向間距114mm，熱管縱向間距120mm，熱管內(nèi)部工質充液率45%。蒸發(fā)段與冷凝段箱體壁面材料設定為絕熱壁面。

圖2為FLUENT模擬收斂圖，從圖2可以看出，在FLUENT中，函數(shù)正常收斂，能量傳遞平穩(wěn)，從而模擬的結果應非常接近實際，物理模型的建立、網(wǎng)格的劃分也比較準確，故可認為結果正確。

Fig.2 Simulation convergence graphics of FLUENT圖2 FLUENT模擬收斂圖形

2.2 計算結果

2.2.1 蒸汽發(fā)生器整體傳熱 蒸汽發(fā)生器整體傳熱規(guī)律計算結果，如圖3，4所示。由圖3可以看出，雖然蒸發(fā)段入口溫度為533K，而出口段溫度為308 K，冷凝段入口段溫度為233K，而出口段為383K。蒸發(fā)段溫度分布是左側高溫帶寬于右側高溫帶，并且溫度分布變化趨勢明顯，溫度分布層次逐漸縮小。因為熱管傾斜角由右向上呈，油漿的流動會受到熱管的排列變化而不同，變?yōu)檎舭l(fā)段左側順暢，右側遇到熱管阻擋而阻力增加，從而油漿過多滯留于右側，造成蒸發(fā)段溫度從458K到443K處，左右兩邊變化不同，左側溫度降低速度低于右側。冷凝段出口溫度為383K，溫度變化的趨勢符合由高到低、溫度分布層次明顯的變化規(guī)律，且出口溫度為都在383 K以上。從傳熱效率上看，蒸汽發(fā)生器足以形成大面積的蒸汽可以達到工業(yè)要求［5－8］。

Fig.3 The arrangement by angle of heat pipe steam generator temperature distribution圖3 斜置排列式熱管蒸汽發(fā)生器溫度分布

Fig.4 The arrangement by angle of heat pipe steamgenerator圖4 斜置式蒸汽發(fā)生器

圖4為斜置式熱管蒸汽發(fā)生器坐標由左到右x＝150mm，x＝375mm殼程處溫度分布，由x＝150mm殼程處溫度是位于熱管蒸汽發(fā)生器蒸發(fā)段一截面圖，由圖4可以看出，蒸發(fā)段殼程溫度分布符合從上到下逐漸降低的規(guī)律，這是因為隨著熱管換熱的進行，把蒸發(fā)段殼程內(nèi)的油漿熱量傳遞給熱管內(nèi)部介質，通過內(nèi)部介質把熱量傳給了右側冷凝段。x＝150mm處模擬結果顯示，在蒸發(fā)段殼程內(nèi)部，邊界溫度要稍高于中間溫度，這是由于沿流動方向的速度下降，而流體在流動過程中所遇到的前進壓力逐漸增大，流體微團由于相互之間的摩擦而使能量減少，當減少到一定程度時，流體的前進速度會降低甚至停滯不前，這會使后面的流體流動的前進壓力持續(xù)加劇，彼此影響各自的運動，從而使流體工質湍流度增加，熱傳導率提高，換熱效率進一步增強，使得油漿能量減少，表現(xiàn)出來就是溫度降低。因為蒸汽發(fā)生器邊界處空間比較大，無熱管的阻擋，摩擦阻力小，所以能量降低比較慢，故兩邊的溫度要比中間溫度稍高。

在圖3中，由x＝375mm處溫度分布可以看出，冷凝段溫度從233K經(jīng)由多個等溫區(qū)域到383 K，并且溫度分布層次明顯，出口前水的溫度為383 K，殼程內(nèi)由水到氣的過程溫度梯度變化比較小，冷凝段殼程上方已形成大面積的蒸汽，蒸汽由出口排出。

2.2.2 蒸發(fā)段不同入口速度時的溫度分布 蒸發(fā)段流量入口改為速度入口，蒸發(fā)段速度入口為V＝0.4m／s、V＝0.3m／s、V＝0.2m／s得到計算結果如圖5所示，同樣選取蒸發(fā)段x＝150mm，冷凝段x＝375mm處。由計算結果可知，入口速度逐漸升高，溫度分布逐漸均勻，并且整體溫度較高，平均溫差較小。這是因為，相同的時間內(nèi)，速度越高，流量越大，通過的高溫油漿就越多，進行熱量傳遞的能量就越多，使得平均溫度就越高。由圖5所示，對比3種不同速度的計算結果，當V＝0.4m／s，溫度分布梯度比較小，溫度分布較均勻，換熱效率比較高，冷凝段產(chǎn)生的蒸汽率較多。

3 結束語

研究結果表明：熱管蒸汽發(fā)生器蒸發(fā)段殼程內(nèi)溫度分布符合從油漿入口到出口逐漸降低的規(guī)律，這是由于油漿通過熱傳導把熱量傳遞給熱管內(nèi)部介質，使得油漿溫度降低，并且在油漿流動過程中，由于流體微團相互摩擦，動能不足以克服增長的壓力，使得本身能量降低，表現(xiàn)形式為溫度下降。在蒸發(fā)段殼程內(nèi)部，邊界溫度要稍高于中間溫度，因為蒸汽發(fā)生器邊界處空間比較大，無熱管的阻擋，摩擦阻力小，所以能量降低比較慢，故兩邊的溫度要比中間溫度稍高。冷凝段殼程內(nèi)水通過熱傳導吸收熱管內(nèi)介質熱量，使本身溫度升高，當達到沸點時會由水變?yōu)檎羝瑢崿F(xiàn)蒸汽發(fā)生器工作的目的。在對比不同入口速度得出，當熱源入口速度越大時傳熱量越多，傳熱效率越高。相同的時間內(nèi)，速度越高，流量越大，通過的高溫油漿就越多，進行熱量傳遞的能量就越多，使得平均溫度就越高。

Fig.5 Temperature distribution of entrance different speed圖5 不同速度入口的溫度分布

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