液 -液式單根套管熱管換熱器的傳熱性能數值模擬

王李 陶漢中* 解傳洋

南京工業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。研究結果表明，高 性能熱管有效地提高了除濕率和降低空調成本。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值模擬計算，結果表明，熱 流體入口溫度和速度越高，換 熱器中熱管內蒸汽溫度越高，熱 管換熱效果越好。榮雅靜[3]模 擬發現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值模擬提供研究思路。目前，國 內外主要研究氣 -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。本文對設計結構可調的液-液重力輔助單根熱管換熱器進行數值模擬。

1 模型構建

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 熱器內徑為35 mm，熱管總長度為 1000 mm 且外徑為 19 mm，蒸 發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

換熱器運行參數如表1 所示。

表1 換熱器運行參數

2 網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 諾數為1000，冷 流體進口溫度為 293.15 K，雷 諾數為 18886。以上為初始計算條件，圖2 為網格數量與換熱量之間關系。

圖2 網格量與換熱器換熱量

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

3 結果和討論

3.1 冷側為湍流狀態

圖3 冷流體溫度為293.15 K，且 為旺盛湍流狀態。熱側流體流動狀態包括層流，旺 盛湍流和過渡狀態流動，三種流動狀態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%。可見層流流動狀態的換熱量增幅及其增幅百分比小于湍流和過渡流狀態。圖 3 顯示，對 于單管套管換熱器，熱 側同一流動狀態時換熱量隨著熱流體溫度的升高而增加，熱 側不同流動狀態時，湍 流狀態換熱量高于過渡流再高于層流狀態的換熱量，但 湍流和過渡狀態的換熱量增幅百分比相似且高于層流狀態的換熱量增幅百分比，即 換熱能力強于層流狀態。

圖3 熱側溫度變化對套管換熱器換熱量的影響

3.2 冷側流體為過渡流態

圖4 冷流體溫度為293.15 K，為 過渡流狀態。熱 側流體流動狀態包括層流，旺 盛湍流和過渡狀態流動，三 種流動狀態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%。可見層流流動狀態的換熱量增幅及其增幅百分比小于湍流和過渡流狀態。圖4 顯示，對 于單管套管換熱器，同 一流動狀態時換熱量隨著熱流體溫度的升高而增加，不 同流動狀態時，湍 流狀態換熱量高于過渡流再高于層流狀態的換熱量，但 湍流和過渡狀態的換熱量增幅百分比相似且高于層流狀態的換熱量增幅百分比，即 換熱能力強于層流狀態。

圖4 熱側溫度變化對套管換熱器換熱量的影響

3.3 冷側為層流狀態

圖5 冷流體溫度為293.15 K，且為層流狀態。熱側流體流動狀態包括層流，旺盛湍流和過渡狀態流動，三 種流動狀態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%。可 見層流流動狀態的換熱量增幅及其增幅百分比小于湍流和過渡流狀態。圖5 顯示，對 于單管套管換熱器，同 一流動狀態時換熱量隨著熱流體溫度的升高而增加，不 同流動狀態時，湍 流狀態換熱量高于過渡流再高于層流狀態的換熱量，但 湍流和過渡狀態的換熱量增幅百分比相似且高于層流狀態的換熱量增幅百分比，即 換熱能力強于層流狀態。

圖5 熱側溫度變化對套管換熱器換熱量的影響

4 結論

三組圖分別為冷側流體溫度 293.15 K 保持不變，共三種流態為湍流，過 渡和層流三個狀態，探 究通過升高熱側流體溫度與單根套管換熱器換熱量的關系，模擬結果表明，僅 從換熱量增幅來看，不 論冷側流體流態如何，提高熱流體溫度即可以有效提高換熱量。熱側溫度流態一定時，冷 側湍流狀態換熱量增幅高于過渡流狀態，過渡流狀態換熱量增幅高于層流。冷側溫度流態一定時，同 樣湍流狀態換熱量增幅高于過渡流狀態，過渡流狀態換熱量增幅高于層流。但比較增幅百分比時，發 現冷側處于三種流態的任意一種，熱 側湍流，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。即通過冷側升高溫度可以有效提升換熱量，但 增幅百分比保持不變。