液 -液式單根套管熱管換熱器的傳熱性能數(shù)值模擬

王李 陶漢中* 解傳洋

南京工業(yè)大學能源科學與工程學院

0 引言

熱管換熱器廣泛應用于建筑通風領域。Ong.K.S[1]對高性能熱管在制冷和除濕方面的應用做出了綜述。研究結(jié)果表明，高 性能熱管有效地提高了除濕率和降低空調(diào)成本。王丹[2]利 用CFD 軟件對由萘熱管和水熱管組成的中溫熱管換熱器進行數(shù)值模擬計算，結(jié)果表明，熱 流體入口溫度和速度越高，換 熱器中熱管內(nèi)蒸汽溫度越高，熱 管換熱效果越好。榮雅靜[3]模 擬發(fā)現(xiàn)熱管換熱器的換熱量隨流體流速的增加而增加，但 增加速度越來越慢。熱管換熱器新、回 風側(cè)的阻力隨風速的增加而增加，而 且增加速度越來越快。這都為接下來本文探究單根熱管套管換熱器傳熱性能的數(shù)值模擬提供研究思路。目前，國 內(nèi)外主要研究氣 -氣或氣 -液混合型熱管換熱器，而對液 -液熱管換熱器研究較少。本文對設計結(jié)構(gòu)可調(diào)的液-液重力輔助單根熱管換熱器進行數(shù)值模擬。

1 模型構(gòu)建

如圖1 所示為熱管換熱器 1:1 實物示意圖，單根套管換熱器總長度為 1380 mm，換 熱器內(nèi)徑為35 mm，熱管總長度為 1000 mm 且外徑為 19 mm，蒸 發(fā)段和冷凝段進出口孔徑均為19 mm。

圖1 1:1 熱管套管示意圖

換熱器運行參數(shù)如表1 所示。

表1 換熱器運行參數(shù)

2 網(wǎng)格劃分和獨立性驗證

取換熱器熱流體進口溫度為 473.15 K，雷 諾數(shù)為1000，冷 流體進口溫度為 293.15 K，雷 諾數(shù)為 18886。以上為初始計算條件，圖2 為網(wǎng)格數(shù)量與換熱量之間關系。

圖2 網(wǎng)格量與換熱器換熱量

在相同工況條件下，改 變網(wǎng)格的大小。由圖 2 可知，網(wǎng) 格數(shù)量從1.53×1 05增加到5.04×1 06。換 熱量變化不超過2.334%。隨著網(wǎng)格數(shù)量的增加，換 熱量逐漸增加，且增加的趨勢越來越平緩，當網(wǎng)格數(shù)量增加到25.5×1 05以后換熱量基本不變。因 此，從 網(wǎng)格經(jīng)濟性和準確性角度選擇網(wǎng)格量為 2.55×1 06則為最佳計算網(wǎng)格量。

3 結(jié)果和討論

3.1 冷側(cè)為湍流狀態(tài)

圖3 冷流體溫度為293.15 K，且 為旺盛湍流狀態(tài)。熱側(cè)流體流動狀態(tài)包括層流，旺 盛湍流和過渡狀態(tài)流動，三種流動狀態(tài)換熱量均隨溫度的升高而增加。且溫度增量相同時，旺 盛湍流換熱量增幅明顯高于過度流和層流的換熱量，同 樣，過 度流換熱量高于層流狀態(tài)的換熱量。熱流體溫度從 423.15 K 提高到 473.15 K，旺盛湍流兩條曲線分別增加了約 545 W 和 480 W，提 高了 23.5%和 26.6%，過 渡流換熱量分別增加了約374 W 和362 W，提 高了25.2%和24.8%。二者提高的百分比大致相同，即 對于過渡流和旺盛湍流在升高相同溫度時增加的換熱量的能力相似。而層流換熱量的值分別增加了約 190 W 和 153 W，提高了 18%和16.5%?？梢妼恿髁鲃訝顟B(tài)的換熱量增幅及其增幅百分比小于湍流和過渡流狀態(tài)。圖 3 顯示，對 于單管套管換熱器，熱 側(cè)同一流動狀態(tài)時換熱量隨著熱流體溫度的升高而增加，熱 側(cè)不同流動狀態(tài)時，湍 流狀態(tài)換熱量高于過渡流再高于層流狀態(tài)的換熱量，但 湍流和過渡狀態(tài)的換熱量增幅百分比相似且高于層流狀態(tài)的換熱量增幅百分比，即 換熱能力強于層流狀態(tài)。

圖3 熱側(cè)溫度變化對套管換熱器換熱量的影響

3.2 冷側(cè)流體為過渡流態(tài)

圖4 冷流體溫度為293.15 K，為 過渡流狀態(tài)。熱 側(cè)流體流動狀態(tài)包括層流，旺 盛湍流和過渡狀態(tài)流動，三 種流動狀態(tài)換熱量也隨溫度的升高而增加。且溫度增量相同時，三 種流態(tài)換熱量均顯著增加，換 熱量增幅依次為旺盛湍流，過度流和層流狀態(tài)的換熱量。熱流體溫度從423.15 K 提高到 473.15 K，旺 盛湍流兩條曲線分別增加了約424 W 和414 W，提 高了約 23%和26%，過渡流換熱量分別增加了約 330 W 和 321 W，提 高了25.6%和25%，二 者提高的百分比大致相同，即 對于過渡流和旺盛湍流在升高相同溫度時增加的換熱量的能力相似。而層流換熱量的值分別增加了約183 W 和152 W，提 高了18%和16.5%?？梢妼恿髁鲃訝顟B(tài)的換熱量增幅及其增幅百分比小于湍流和過渡流狀態(tài)。圖4 顯示，對 于單管套管換熱器，同 一流動狀態(tài)時換熱量隨著熱流體溫度的升高而增加，不 同流動狀態(tài)時，湍 流狀態(tài)換熱量高于過渡流再高于層流狀態(tài)的換熱量，但 湍流和過渡狀態(tài)的換熱量增幅百分比相似且高于層流狀態(tài)的換熱量增幅百分比，即 換熱能力強于層流狀態(tài)。

圖4 熱側(cè)溫度變化對套管換熱器換熱量的影響

3.3 冷側(cè)為層流狀態(tài)

圖5 冷流體溫度為293.15 K，且為層流狀態(tài)。熱側(cè)流體流動狀態(tài)包括層流，旺盛湍流和過渡狀態(tài)流動，三 種流動狀態(tài)換熱量也隨溫度的升高而增加。且溫度增量相同時，三 種流態(tài)換熱量均顯著增加，換 熱量增幅依次為旺盛湍流，過度流和層流狀態(tài)的換熱量。熱流體溫度從 423.15 K 提高到 473.15 K，旺 盛湍流兩條曲線分別增加了約 418 W 和 405 W，提 高了約24.8%和27.8%，過 渡流換熱量分別增加了約326 W 和316 W，提 高了 26.8%和 26.4%，二 者提高的百分比大致相同，即 對于過渡流和旺盛湍流在升高相同溫度時增加的換熱量的能力相似。而層流換熱量的值分別增加了約186 W 和155 W，提 高了20.5%和19%?？?見層流流動狀態(tài)的換熱量增幅及其增幅百分比小于湍流和過渡流狀態(tài)。圖5 顯示，對 于單管套管換熱器，同 一流動狀態(tài)時換熱量隨著熱流體溫度的升高而增加，不 同流動狀態(tài)時，湍 流狀態(tài)換熱量高于過渡流再高于層流狀態(tài)的換熱量，但 湍流和過渡狀態(tài)的換熱量增幅百分比相似且高于層流狀態(tài)的換熱量增幅百分比，即 換熱能力強于層流狀態(tài)。

圖5 熱側(cè)溫度變化對套管換熱器換熱量的影響

4 結(jié)論

三組圖分別為冷側(cè)流體溫度 293.15 K 保持不變，共三種流態(tài)為湍流，過 渡和層流三個狀態(tài)，探 究通過升高熱側(cè)流體溫度與單根套管換熱器換熱量的關系，模擬結(jié)果表明，僅 從換熱量增幅來看，不 論冷側(cè)流體流態(tài)如何，提高熱流體溫度即可以有效提高換熱量。熱側(cè)溫度流態(tài)一定時，冷 側(cè)湍流狀態(tài)換熱量增幅高于過渡流狀態(tài)，過渡流狀態(tài)換熱量增幅高于層流。冷側(cè)溫度流態(tài)一定時，同 樣湍流狀態(tài)換熱量增幅高于過渡流狀態(tài)，過渡流狀態(tài)換熱量增幅高于層流。但比較增幅百分比時，發(fā) 現(xiàn)冷側(cè)處于三種流態(tài)的任意一種，熱 側(cè)湍流，過 渡流和層流的換熱量增幅保持各自百分比值基本保持不變。即通過冷側(cè)升高溫度可以有效提升換熱量，但 增幅百分比保持不變。