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高温热管换热器强化传热及结构优化模拟研究

孙世梅  
【摘要】:高温热管换热器是高温技术领域里一高效传热设备,复杂的结构和多变的工况决定了高温热管换热器知识体系的高度复杂,并由此导致了高温热管换热器结构庞大、成本昂贵、过渡段热管元件运行不稳定等问题。面对激烈的市场竞争,提高高温热管换热器设计的合理性、经济性以及加快其工业化应用进程是当前急待研究的课题。 本文针对高温热管换热器的结构特点,基于热管单管性能强化传热的研究结果对高温热管换热器进行了强化传热研究,利用数值模拟分析的方法研究了管内外温度场协同作用,开拓了强化传热的新思路,在此研究基础上,利用可计算性项目的参数设计法以初投资回收期最短为目标对高温热管换热器进行了结构优化模拟研究,以期最大限度降低投资成本,减小运行费用,为换热设备结构优化提供了新的方法。本课题研究不仅对实际工程应用有很大的指导意义,而且在理论上亦有较高的学术价值。 本文的主要研究内容: 热管单管性能强化传热的研究得到以下结论:通过理论研究和试验研究表明在热虹吸管中插入同轴多孔管(本文称分流管)是一种很有效的强化热管单管传热性能的方法。研究结果表明:分流管结构尺寸对蒸发段沸腾传热有很大的影响,在相同的传输功率下,分流管的开孔率在33%左右、环隙在4.5mm左右强化沸腾传热的效果最佳,沸腾传热系数大约提高2~3倍,管内蒸汽温度大约降低15~30℃。综合大量试验数据,利用多元线性回归分析整理出分流管强化沸腾传热的准则方程式,传热系数回归计算值与试验结果基本吻合,为高温热管换热器局部强化传热研究提供了理论依据。 由于高温热管换热器是根据其工作温度,由不同工作介质的热管组合而成的。这就给换热器的整体性能模拟优化研究带来了很大的困难。一方面热管管内蒸汽温度受管外流体温度场及热管自身传热性能的影响,同时,热管自身的传热性能又影响着管外流体温度分布,为协调配合管内外流体温度分布,本文借助THERMALANALYSIS计算软件对高温热管换热器进行了局部强化传热研究。对于普通碳钢-水热管,当蒸发段长度为390mm、冷凝段长度为270mm时,为确保热管的安全运行,管外流体温度不能超过300℃,采用最佳分流管结构的强化管后,可使管外流体温度达到320℃。同时,模拟结果较好的预测了最佳强化传热元件结构,为拓宽热管换热器温度使用范围,安全衔接不同温度区域热管换热器提供了可靠的依据。 摘要 根据上述研究结果,本文利用可计算项目的参数设计法,以投资回收年限最短为目标 对高温热管换热器进行了优化模拟研究,确定了高温热管换热器实际运行工况下冷热流体 侧翅片间距、翅片厚度、管束横向管间距、冷热流体迎风流速、迎风面宽度、加热段长度 进行最优参数组合,并采用神经网络的方法对优化结果进行模拟仿真,从而确定最佳方案。 通过各温度段热管换热器可靠性和稳定性设计研究表明:以最优参数组合设计的高温热管 换热器,过渡区只有少数热管元件在工艺条件波动时处于不工作和非正常工作状态,根据 单管强化传热研究结果,在过渡段采用强化管可以提高高温热管换热器过渡段热管元件运 行的稳定性和可靠性,为完善高温热管换热器结构优化设计提供理论依据。 为了配合模拟研究,本研究建立了由钠热管、钾热管、汞热管和水热管组成的高温热 管换热器模拟试验台,可以测取不同工况下,热管换热器的性能及其温度场的数据。模 拟试验结果表明:1.在非正常工作状态,高温热管换热器过渡区热管管内蒸汽温度存在严 重的不连续性,而蒸发段管外温度场是连续的,这导致过渡区热管常处于非正常工作状态。 为使过渡区热管能较好的适应这一工作状态,需拓宽热管的温度使用范围,进一步验证过 渡段热管换热器强化传热研究的必要性;2.验证了高温热管换热器结构优化系统计算模型 的可靠性;3.与模拟计算结果进行对比分析,数值计算结果与试验测量值吻合较好,一方 面验证了热管换热器集总参数数学计算模型的准确性,另一方面为热管换热器进一步研究 提供了新的研究手段。


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