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        熱管換熱器耦合源模型及其場協同分析

        點擊:2190 日期:[ 2014-04-26 21:35:56 ]
                              熱管換熱器耦合源模型及其場協同分析                                   李 治                  (中國石油管道沈陽輸油氣分公司,遼寧沈陽110031)     摘要:討論了熱管換熱器冷、熱端共軛傳熱特性。根據熱管內部相變傳熱特性,以熱管內蒸汽溫度作為獨立變量,利用冷凝段與蒸發段熱量守恒關系,將熱管換熱器分解成2個獨立部分進行分析。針對熱管壁面、冷端耦合傳熱特性,應用耦合源模型,借助Fluent軟件計算熱管換熱器內流動與傳熱過程,并采用場協同原理對模擬結果進行分析。結果表明耦合源模型能夠有效用于熱管換熱器、及類似結構的性能分析;耦合源模型與場協同原理結合是解決熱管換熱器等耦合傳熱及優化問題的有效方法。     關鍵詞:耦合源;場協同原理;熱管換熱器;耦合傳熱;數值模擬     中圖分類號:TQ 051. 5  文獻標識碼:A  文章編號:1004-0935(2010)11-1148-05     熱管是人們所熟知的最有效的傳熱元件之一,可以將大量熱量通過很小的截面積、遠距離、而無需外加動力地傳輸。許多國家的科研機構、大學和公司進行了大量的實驗和理論研究工作,熱管在許多工業部門已經得到了廣泛應用,例如Majideian[1]將熱管換熱器應用于醫院的廢熱回收。近年來,熱管換熱器在太陽能綜合利用、電子散熱等新型高效領域開展廣度和深度的研究。隨著熱管換熱器的廣泛應用,傳統的熱管換熱器計算模型:常規計算法、離散計算法以及定壁溫計算法,在優化過程也在逐漸開展。如陳丹[2]提出采用離散型計算模型,運用有效度-傳熱單元數法,通過多次迭代對高溫熱管換熱器內溫度場和速度分布進行模擬的方法;候祺棕[3]也采用類似方法開展中溫熱管空氣換熱器的研究工作。     在熱管換熱器的理論研究領域,也出現多種解決實際情況的模型。桑芝富[4]等采用有限元方法對熱管加熱或冷卻固體介質區域的情況,進行理論分析并提出優化方案。趙蔚琳[5]提出“熱管翅”模型,開展高溫熱管翅性能及其強化傳熱過程的研究。孫世梅[6]利用數值模擬方法研究了管內溫度場協同[7-9]作用,開展高溫熱管換熱器強化傳熱及結果優化模擬研究,開拓強化傳熱的新思路。     在熱管換熱器的流動與傳熱過程中,熱管內發生相變傳熱過程,耦合作用非常復雜[10-13]。文獻[14]指出,加熱段熱流密度和飽和蒸汽溫度或飽和蒸汽壓力為熱管的獨立條件,因此應用飽和蒸汽溫度,將熱管分解成兩個相互關聯的獨立計算體。同時,在其中任意一個計算區域內,熱管的熱邊界條件無法預先規定,而受到流體與壁面之間相互作用的制約,由熱量交換過程動態地加以決定,為耦合傳熱問題;熱管傳熱特性也受到流動特性的影響。     熱管換熱器與普通換熱器類似,黃德斌[15-16]對氣流橫向沖刷管束換熱這種比較復雜的流動形式,推導了氣流橫向沖刷管束換熱時的Nu數與場參數的關系式,用場協同原理解釋了管排方式和管間距對換熱的影響。     本文借助耦合傳熱方法,建立耦合源模型分析熱管換熱器傳熱特性,運用Fluent軟件進行求解,應用場協同原理對熱管換熱器傳熱特性進行量化分析。結果表明耦合源模型能夠為類似熱管換熱器等耦合傳熱過程提供指導意義,同時場協同原理的應用也為熱管換熱器過程優化拓寬新的思路。     1·耦合源模型     通過對熱管換熱器一個流體腔體的計算可以獲得整個熱管換熱器的運行規律;同時熱管加熱段的傳熱關聯式相對復雜,而凝結段關聯式研究比較成熟,因而在計算過程中以冷流體通道為計算區域。如果固體區域內部存在一個穩定熱源,那么熱源產生的熱量將源源不段釋放出來,才能滿足總體能量守恒關系。將熱管區域看成是一個固體區域在固體區域內添加與熱管實際放熱量相當的熱源項,可以解決熱管壁面能量守恒關系。在整個固體區域對源項積分,并將凝結傳熱關系式應用到耦合界面,得到:                   式(3)為采用耦合源方法求解熱管耦合換熱問題,添加在固體區域上的源項表達式,飽和蒸汽溫度可以通過熱管換熱器離散模型獲得。     2·耦合源計算方法     2.1幾何模型及控制方程     應用耦合源方法,對冷流體區域進行流動與傳熱計算,假設流體不可壓縮,流體特性參數設置為定值,并對流體正常工作情況進行計算,熱管換熱器幾何模型如圖1所示。                  固體區域的能量方程:                  2.2模型計算及邊界條件設置     流體區域與固體區域采用分離式求解器耦合求解。動量方程、連續性方程誤差限設置為1×10-3,能量方程誤差限設置為1×10-6。入口條件設置為速度入口,已知溫度邊界條件;出口條件設置為充分發展邊界條件;在固體壁面上設置絕熱邊界條件。熱管與流體的壁面則采用耦合邊界條件。     3·結果與討論     對幾何模型及邊界條件應用耦合源模型進行計算,如圖2所示。                   耦合源的源項通過自定義函數形式添加,程序的正確性已經通過驗證,這里不再敘述,并且需要對每根熱管編寫UDF函數,這些函數具有比較類似的表達形式,僅改變每根熱管的邊界條件的地址。單根熱管的平均Nu數、阻力系數f、平均協同角θm的定義[9]如下:                   3.1 冷流體入口溫度的影響     圖3描繪熱流體入口溫度為343 K,冷、熱流體入口流速均為2. 0 m/s,冷流體入口溫度變化時,各個熱管傳熱量的關系。隨著冷流體入口溫度的逐漸增大,傳熱溫差減小,熱管換熱器總傳熱量減少。同時在單一數據點上,傳熱能力不是一成不變的,即使同一排上,熱量傳遞的變化也相當明顯。在開頭的幾排,熱管的飽和蒸汽溫度相對較低,同時由于入口段效應,速度矢量與溫度梯度矢量的協同程度較好,因此熱量變化不明顯。在隨后的幾排熱管中,由于流體已經形成均勻的速度場,速度矢量與溫度梯度矢量的協同使同一排熱管,其傳遞熱量也不盡相同,甚至出現熱量極值變化。在后幾排熱管中,熱量傳遞雙峰值發生在同一排熱管的外側,而且后排熱管的熱量極值點要高于前排,這主要由熱管本身特性決定的,熱管在靠后位置的飽和蒸汽溫度要高于前排,熱流密度矢量與速度矢量的協同性較好,說明熱管本身的傳熱特性比改變冷流體入口溫度強。                   圖4為不同冷流體入口溫度情況下,熱管換熱器的局部Nu數隨每個熱管上的變化。在10K的溫差范圍內,多組數據點重合的很好,說明熱管換熱器的傳熱能力是一個動態變化過程。由于每根熱管內飽和蒸汽溫度是確定的,因而得出熱管換熱器的傳熱能力,即Nu數幾乎不隨冷流體入口溫度的改變而變化。外部流動的影響,反映在同一排熱管中,傳熱量及Nu曲線的變化,尤其在熱管換熱器后幾排熱管中,較強的傳熱能力并不是發生在熱管中間部分的熱管上,而是發生在靠外側的熱管處,這說明熱管本身內在熱源引起的熱流矢量、流體速度矢量的協同程度很好,從而表現出更大的傳熱能力。     從流場與溫度梯度的總體協同程度來看,在特定情況下,平均協同角度與冷流體入口溫度存在多個單調變化區間。這個現象與常規換熱器存在一定的差異,這主要是因為熱管換熱器的傳熱特性隨著冷流體入口溫度要發生改變。                   但應該看到,一定范圍內,降低溫度必然能提高傳熱特性,如圖5所示。在冷流體入口溫度小于294 K時,降低入口溫度,必然能夠提高熱管換熱器的整體傳熱效果。速度矢量與溫度梯度的協同程度變化并不很大,說明冷流體入口溫度不是影響熱管換熱器熱量傳遞的主要因素。                   3.2 熱管飽和蒸汽溫度的影響     熱管換熱器加熱段入口溫度變化時,熱管內的飽和蒸汽溫度發生改變。圖6描繪了熱管飽和蒸汽溫度變化時,各個熱管的傳熱量關系。                   隨著加熱段入口溫度降低,總體熱管換熱器傳遞的熱量減少,這是因為熱管飽和溫度降低導致有效傳遞熱量降低。同時,在單一數據點上,熱量傳遞能力不是一成不變,即使同一排上,熱量傳遞的變化也很明顯,但是這種變化沒有改變冷流體入口溫度變化顯著。     熱管飽和蒸汽溫度的變化,對于各個熱管向冷流體釋放的熱量變化比較平緩,說明熱流線的穩定性,從而說明熱管飽和蒸汽溫度的主要影響。隨著熱管加熱段入口溫度的變化,熱管飽和蒸汽也隨著發生改變,當僅改變熱管加熱段入口溫度,熱管幾何位置并不改變時,平均協同角的變化,如圖7所示,幾乎呈現水平直線,說明即使改變加熱段入口溫度,如果不選擇最優的幾何結構,熱管換熱器的傳熱過程也不能達到最大限度的強化。                  3.3入口速度的影響     提高Re數,可以增強擾動,必然對熱管換熱器的傳熱起到作用,同時,也使流動阻力改變,如圖8所示。因此,增加冷流體入口速度,改變了流體的流動狀態,既改善傳熱,又增加流動阻力,是相互矛盾的,需要合理控制入口流速。                   圖9描述平均協同角隨Re數的關系,協同角呈現波峰,波谷現象。在波谷處,對應的流速范圍為2~2. 5 m/s。迎面風速(標準狀況)限制在2~3 m/s的范圍內,風速過高導致壓力降過大和動力消耗增加,風速過低會導致管外傳熱系數降低,熱管的傳熱能力得不到充分的發揮。合理的流速范圍能夠強化傳熱過程。因此,入口流速存在一個合理的范圍,過小或過大都是不可取的。                  3.4 熱源幾何位置的影響     熱管換熱器的傳熱特性必然要受到熱源幾何位置的影響,熱管換熱器中熱管的位置雖然可以任意排放,但考慮到結構需要,也多是按行、列交替排列。本文對不同幾何位置進行分析,如表1所示。                   圖10描述了熱管換熱器平均協同角與冷流體總傳熱量的關系。                   冷流體吸收的總熱量與熱管布置形式密切相關,最大吸收熱量對應最小平均協同角,這種對應關系滿足場協同原理。     圖11描述了阻力系數與平均協同角的變化關系。阻力系數在排列方式I時,達到最大,而排列方式V滿足最小情況。在傳熱能力達到最大的情況III中,其阻力系數介于中間。                   從圖10和圖11看出,熱管布置方式對熱管換熱器結構設置、強化傳熱有重要影響。對于協同角較小,傳熱熱量較大的排列方式V,即:垂直方向交替變化,垂直距離為20 mm的情況,在熱管換熱器排列結構也很具優勢。它們之間的傳熱量和平均協同角都相差不大,而結構形式卻相差很多。     4·結 論     通過場協同原理對熱管換熱器傳熱特性的量化分析,得到如下結論:     (1)改變入口溫度,被動地改善了溫度梯度與流動的協同性。在一定范圍,入口溫度越低,熱管換熱器的傳熱特性越好;     (2)運用溫度梯度矢量與速度矢量的協同性,驗證了冷流體入口流速在2. 0~2. 5 m/s的合理性;     (3)熱源品質的改變主動地提高了熱管換熱器的協同性,但需要優化熱管換熱器幾何結構最大程度地發揮其傳熱性能。 參考文獻 [1]S.H. Noie-Baghban, G. R.Majideian. Waste heat recovery u-sing  heatpipe heatexchanger(HPHE) for surgery rooms in hospi-tals[J].  Applied ThermalEngineering, 2000, 20(14): 1 271-1282. 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