液 -液式单根套管热管换热器的传热性能数值模拟

王李 陶汉中* 解传洋

南京工业大学能源科学与工程学院

0 引言

热管换热器广泛应用于建筑通风领域。Ong.K.S[1]对高性能热管在制冷和除湿方面的应用做出了综述。研究结果表明，高 性能热管有效地提高了除湿率和降低空调成本。王丹[2]利 用CFD 软件对由萘热管和水热管组成的中温热管换热器进行数值模拟计算，结果表明，热 流体入口温度和速度越高，换 热器中热管内蒸汽温度越高，热 管换热效果越好。荣雅静[3]模 拟发现热管换热器的换热量随流体流速的增加而增加，但 增加速度越来越慢。热管换热器新、回 风侧的阻力随风速的增加而增加，而 且增加速度越来越快。这都为接下来本文探究单根热管套管换热器传热性能的数值模拟提供研究思路。目前，国 内外主要研究气 -气或气 -液混合型热管换热器，而对液 -液热管换热器研究较少。本文对设计结构可调的液-液重力辅助单根热管换热器进行数值模拟。

1 模型构建

如图1 所示为热管换热器 1:1 实物示意图，单根套管换热器总长度为 1380 mm，换 热器内径为35 mm，热管总长度为 1000 mm 且外径为 19 mm，蒸 发段和冷凝段进出口孔径均为19 mm。

图1 1:1 热管套管示意图

换热器运行参数如表1 所示。

表1 换热器运行参数

2 网格划分和独立性验证

取换热器热流体进口温度为 473.15 K，雷 诺数为1000，冷 流体进口温度为 293.15 K，雷 诺数为 18886。以上为初始计算条件，图2 为网格数量与换热量之间关系。

图2 网格量与换热器换热量

在相同工况条件下，改 变网格的大小。由图 2 可知，网 格数量从1.53×1 05增加到5.04×1 06。换 热量变化不超过2.334%。随着网格数量的增加，换 热量逐渐增加，且增加的趋势越来越平缓，当网格数量增加到25.5×1 05以后换热量基本不变。因 此，从 网格经济性和准确性角度选择网格量为 2.55×1 06则为最佳计算网格量。

3 结果和讨论

3.1 冷侧为湍流状态

图3 冷流体温度为293.15 K，且 为旺盛湍流状态。热侧流体流动状态包括层流，旺 盛湍流和过渡状态流动，三种流动状态换热量均随温度的升高而增加。且温度增量相同时，旺 盛湍流换热量增幅明显高于过度流和层流的换热量，同 样，过 度流换热量高于层流状态的换热量。热流体温度从 423.15 K 提高到 473.15 K，旺盛湍流两条曲线分别增加了约 545 W 和 480 W，提 高了 23.5%和 26.6%，过 渡流换热量分别增加了约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 对于过渡流和旺盛湍流在升高相同温度时增加的换热量的能力相似。而层流换热量的值分别增加了约 190 W 和 153 W，提高了 18%和16.5%。可见层流流动状态的换热量增幅及其增幅百分比小于湍流和过渡流状态。图 3 显示，对 于单管套管换热器，热 侧同一流动状态时换热量随着热流体温度的升高而增加，热 侧不同流动状态时，湍 流状态换热量高于过渡流再高于层流状态的换热量，但 湍流和过渡状态的换热量增幅百分比相似且高于层流状态的换热量增幅百分比，即 换热能力强于层流状态。

图3 热侧温度变化对套管换热器换热量的影响

3.2 冷侧流体为过渡流态

图4 冷流体温度为293.15 K，为 过渡流状态。热 侧流体流动状态包括层流，旺 盛湍流和过渡状态流动，三 种流动状态换热量也随温度的升高而增加。且温度增量相同时，三 种流态换热量均显著增加，换 热量增幅依次为旺盛湍流，过度流和层流状态的换热量。热流体温度从423.15 K 提高到 473.15 K，旺 盛湍流两条曲线分别增加了约424 W 和414 W，提 高了约 23%和26%，过渡流换热量分别增加了约 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 对于过渡流和旺盛湍流在升高相同温度时增加的换热量的能力相似。而层流换热量的值分别增加了约183 W 和152 W，提 高了18%和16.5%。可见层流流动状态的换热量增幅及其增幅百分比小于湍流和过渡流状态。图4 显示，对 于单管套管换热器，同 一流动状态时换热量随着热流体温度的升高而增加，不 同流动状态时，湍 流状态换热量高于过渡流再高于层流状态的换热量，但 湍流和过渡状态的换热量增幅百分比相似且高于层流状态的换热量增幅百分比，即 换热能力强于层流状态。

图4 热侧温度变化对套管换热器换热量的影响

3.3 冷侧为层流状态

图5 冷流体温度为293.15 K，且为层流状态。热侧流体流动状态包括层流，旺盛湍流和过渡状态流动，三 种流动状态换热量也随温度的升高而增加。且温度增量相同时，三 种流态换热量均显著增加，换 热量增幅依次为旺盛湍流，过度流和层流状态的换热量。热流体温度从 423.15 K 提高到 473.15 K，旺 盛湍流两条曲线分别增加了约 418 W 和 405 W，提 高了约24.8%和27.8%，过 渡流换热量分别增加了约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 对于过渡流和旺盛湍流在升高相同温度时增加的换热量的能力相似。而层流换热量的值分别增加了约186 W 和155 W，提 高了20.5%和19%。可 见层流流动状态的换热量增幅及其增幅百分比小于湍流和过渡流状态。图5 显示，对 于单管套管换热器，同 一流动状态时换热量随着热流体温度的升高而增加，不 同流动状态时，湍 流状态换热量高于过渡流再高于层流状态的换热量，但 湍流和过渡状态的换热量增幅百分比相似且高于层流状态的换热量增幅百分比，即 换热能力强于层流状态。

图5 热侧温度变化对套管换热器换热量的影响

4 结论

三组图分别为冷侧流体温度 293.15 K 保持不变，共三种流态为湍流，过 渡和层流三个状态，探 究通过升高热侧流体温度与单根套管换热器换热量的关系，模拟结果表明，仅 从换热量增幅来看，不 论冷侧流体流态如何，提高热流体温度即可以有效提高换热量。热侧温度流态一定时，冷 侧湍流状态换热量增幅高于过渡流状态，过渡流状态换热量增幅高于层流。冷侧温度流态一定时，同 样湍流状态换热量增幅高于过渡流状态，过渡流状态换热量增幅高于层流。但比较增幅百分比时，发 现冷侧处于三种流态的任意一种，热 侧湍流，过 渡流和层流的换热量增幅保持各自百分比值基本保持不变。即通过冷侧升高温度可以有效提升换热量，但 增幅百分比保持不变。