基于CFD模拟的热管换热器换热性能的优化研究

作     者：高贺轩 

作者单位：沈阳建筑大学 

学位级别：硕士

导师姓名：宋波

授予年度：2019年

学科分类：080702[工学-热能工程] 08[工学] 0807[工学-动力工程及工程热物理] 

主      题：烟气余热回收 热管换热器 数值模拟 设计参数优化 结构优化 

摘      要：伴随我国经济的快速发展,能源使用量逐年增加。《能源消费和生产革命战略(2016-2030)》为我国未来一段时期的能源使用总量设立目标。为解决经济发展与控制能源使用量之间的矛盾,要求我国在现有基础上提升能源利用率。工业余热回收利用潜力巨大,而烟气余热在工业余热资源中占比达50%,烟气余热的高效回收对提升能源利用率效果明显。相对于中高温烟气余热的回收利用,中低温烟气余热由于观念及传统换热设备的限制容易被忽略。而热管换热器由于具有传热系数高、不依靠外界动力、可靠性强、灵活布置等特点,适用中低温烟气回收利用的场合,在中低温烟气余热回收领域日益受到重视。本文从热管换热器设计参数及热管结构两方面进行优化,提高热管换热器的换热性能。设计参数优化方面:在换热器安全运行的前提下,降低热流体的出口温度,增大热流体进出口温差,充分利用热流体中的热量。在换热器的设计上,改变在P.A.Лepoeян公式计算值的基础上增加富裕量作为热流体出口温度的方法,将热管管壁温度不低于烟气露点温度作为换热器安全运行的判定条件,反推热流体的出口温度。设定热流体侧烟气流量5000m3/h,温度240℃,冷流体侧空气流量4700m3/h,温度20℃。建立热流体在流动过程中温度变化的离散化数学模型,借助CFD流体力学软件,对热管管壁温度进行模拟计算。研究结果表明,可将90℃作为热流体出口温度的设计值。与原有设计参数值相比,回收热量增加25%～40%。热管结构优化方面:将热管冷凝段翅片带有一定倾斜角,增大热管近壁面的流体绕流,打断边界层连续发展,达到强化换热的目的。借助CFD流体力学软件对结构优化后的热管进行模拟计算。结构优化后,冷流体的出口温度及换热阻力均随翅片倾斜角的增大而增大。引入换热器综合性能评价指标,计算不同翅片倾斜角下的综合性能评价指标。经计算,热管冷凝段翅片倾斜角为10度时,综合性能评价指标最大,数值为1.02,为热管最佳结构优化方式。结构优化后与常规翅片热管相比,综合性能提升2%,换热效率提升15.9%。本文研究成果,可应用于中低温烟气回收领域,提高热管换热器的换热性能,使热管换热器有更广泛的应用前景。