基于管排组合的分离式热管换热器的变工况模拟

基于管排组合的分离式热管换热器的变工况模拟

赵展 金苏敏

（南京工业大学 能源学院，江苏 南京 210009）

摘 要 利用Visual Basic编制了气-汽分离式热管换热器的设计与模拟为一体的计算软件, 建立了一个基于管排组合的分离式热管换热器模型，模拟了在变进口温度和变进口流量情况下的换热器性能参数的变化，比较了各种管排组合方案的安全性和热回收量，得出“混合”方案能同时满足较好的安全性和较大的热回收量。

关键词 分离式热管 管排组合 变工况模拟 Visual Basic 热回收

SIMULATION ON VARIABLE CONDITIONS OF SEPARATE TYPE HEAT PIPE

EXCHANGER BASED ON TUBE ARRAYS COMBINATION

Zhao Zhan, Jin Sumin

(College of Energy, Nanjing University of Technology, Nanjing 210009)

Abstract A calculation software of the separate type heat pipe exchanger for design and simulation was developed by Visual Basic, and the model of the separate type heat pipe exchanger based on tube arrays combination was established to simulate its performance parameters under variable inlet temperatures and flow rate respectively. The safeness and the amount of heat recovery under various schemes of tube arrays combination were compared, and the conclusion that the mixed scheme has both better safeness and larger amount of heat recovery was obtained.

Keywords Separate type heat pipe, Tube arrays combination, Simulation on variable conditions, Visual Basic, Heat recovery

0 前言

在电力、钢铁、石油、化工等工业生产中，广泛存在着大量低品位、无法用常规方法进一步利用的废热，通常这部分热量只能排放到环境中去，造成能源的极大浪费[1]。利用常规的换热器回收这部分废热总是存在着低温腐蚀的现象，因此导致废热利用率不高。而热管换热器由于管壁温度的可调性

基金项目：国家自然科学基金项目（No.50676041）。 作者简介：赵展，（1981 -），男，硕士。

可以使其在避免低温腐蚀的基础上回收更多的热

量，因此非常适合应用在中低温废热回收上。国内外的学者在调整热管管壁温度上做了很多的研究[2-6]

，而南京工业大学制冷与空调研究所在“烟气废热热管溴化锂制冷剂”的研究过程中，提出了一种新型的调温方法，即将分离式热管的管排进行不同的组合，从而同时达到调整工质温度和管壁温度的目的[7-8]。笔者在此基础上设计了一个基于管排组合的分离式热管废热蒸汽发生器，并且进行了数值模拟，但是在实际运行中，由于换热器工况的不稳定

性，还需考察此换热器的变工况特性。

1. 换热器模型建立及管排组合

模拟需建立在换热器设计成型的基础上，为此本文用Visual Basic编制了气-汽分离式热管换热器的设计与模拟为一体的计算软件。图1所示为软件的总体结构图。

通过软件的设计功能设计出一个热管废热蒸汽发生器，它的原理是利用分离式热管的工质从热侧吸收烟气热量，传递给冷侧的水产生水蒸气。热管工质为水，材料为碳钢，换热器的热侧管外焊接圆形翅片，冷侧为光管，采用整体汽包式结构。以此换热器作为模型，进行各个管排组合方案下的变工况模拟。表1列出了此模型的主要参数。

表1 换热器模型的主要参数

名称及单位

数值

名称及单位

数值

图1 软件总体结构图

热管外径/m 0.025 蒸发段管排数/排 16 热管内径/m 0.02 冷凝段管排数/排 16 翅片高度/m 0.0125 蒸发段传热面积/m2 19.01 翅片厚度/m 0.001 冷凝段传热面积/m2 1.76 翅片间距/m 0.004 额定烟气进口温度/℃ 380 蒸发段长度/m 0.6 额定烟气流量/(Nm3/h) 1000 冷凝段长度/m 0.4 额定蒸发压力/MPa 0.25 迎风面管子数/根 4 额定产汽量/(kg/h) 143.2

组合单元及管排组合方案如图2所示。

将整个换热器模型的16排管分成若干组，每一组称为组合单元。每一个组合单元，共用一个上升管和一个下降管，蒸发段和冷凝段的管排可以是1排，也可以是几排。组合单元用“蒸发段管排数/冷凝段管排数”标记，例如“1/1”，表示1排蒸发段对应1排冷凝段。

组合单元依次排列，“-”表示不同的组合单元的排列。第1种方案1/1*16由于是单排对单排的组合方式，我们又称之为“单对单”，第5种方案16/16由于是热管整体共用一个上升管和1个下降管，我们又称之为“整体对整体”。第6种方案与前5种方案比较起来显得特殊，这种方案在前排采用2个1/2的组合单元，末排采用2个2/1的组合单元，中间采用1/1的组合单元，为了称呼起来方便，我们称之为“混合”方案。

图2 组合单元及管排组合方案

从图2中可以看到6种管排组合方案，在表述这些方案时引用了一些特殊符号，“*”表示相同的

图3 1/2*2-1/1*10-2/1*2方案的计算界面

在图2的六种管排组合方案中，任意点击一种方案，将得到如图3所示的计算界面。

一共有两个输入框，即烟气进口温度和烟气流量，固定其中一个变量，改变另一个变量，便可得到变工况下的烟气出口温度、总传热量、产汽量和各管排的温度分布等。

2. 变工况模拟

2.1 变进口温度模拟结果

固定烟气的流量不变，改变进口温度从340℃到420℃，将得到的结果统计成图4~图8。为了简化图线，同时也为了研究具有代表意义的“单对单”、“整体对整体”和“混合方案”，下面的图上只绘制出了这三种方案下换热器参数图线。

图4为烟气出口温度随烟气进口温度的变化图。从图上可以看到，随着烟气进口温度的增大，各种管排组合的烟气出口温度也随之增大，“整体对整体”增大的趋势更大一些，进口温度相同的情况下，“整体对整体”的出口温度也是最高的，因此回收废热的效果没有“单对单”和“混合”好。

图4 烟气出口温度随烟气进口温度的变化

180℃ 单对单/度 整体对整体温 混合质170工排首160150340350360370380390400410420

烟气进口温度 /℃

图5 首排工质温度随烟气进口温度的变化

图5为首排工质温度随进口温度的变化图。从图上可以看到，各种管排组合方案的首排工质温度随烟气进口温度的增大而增大，“单对单”增大的斜率比其他两种要大，另外在同一烟气进口温度下，“单对单”的首排工质温度也是最高的，如果首排工质温度过高将导致爆管危险，从这点可以看出，“单对单”的安全效果是不理想的。而“混合”方案和“整体对整体”的首排工质温度较低，从安全效果来讲是比较理想的组合方案。

图6是末排管壁温度随进口温度的变化图.从图上可以看到同样进口温度下，“整体对整体”末排管壁温度最高，而且随着烟气温度的增加，它的末排管壁温度增加的斜率也是最大的，这对预防低温腐蚀是有利的，因此它的安全效果是最好的，“混合”次之，但是“整体对整体”的热回收量却是最不理想的，这从图7可以看出。

160 ℃ 单对单/ 整体对整体度温 混合壁管150排末140130340350360370380390400410420

烟气进口温度/℃

图6 末排管壁温度随烟气进口温度的变化

105

WK100量/ 单对单总95 整体对整体收 混合回热9085 807570

65

340350360370380390400410

420

烟气进口温度/℃

图7 热回收量随烟气进口温度的变化

正如图7所示，在同样烟气进口温度下，“单

对单”的热回收量是最大的，“混合”与之比较接近，而“整体对整体”的回收量是最小的。而且随着烟气进口温度的增加，“整体对整体”的斜率有

减小的趋势。热回收量影响产汽量的大小，因此产汽量的变化图线与热回收量的变化规律是一致的，如图8所示，不再赘述。

180)h/gk170(/量汽160 单对单 整体对整体产 混合150 140130120110340350360370380390400410420烟气进口温度/℃

图8 产汽量随烟气进口温度的变化

2.2 变流量模拟结果

在每种管排组合方案下，固定烟气的出口温度不变，改变烟气流量从800Nm3/h到1200Nm3/h, 将得到的结果绘制成图9~图13。

图9是烟气出口温度随烟气流量的变化图，在图中可以看到，各管排组合方案的烟气出口温度随烟气流量的增大而增大，它们增大的斜率比较接近。

180℃/度 单对单温 整体对整体口 混合出气170烟16015080085090095010001050110011501200

烟气流量/(Nm3/h)

图9 烟气出口温度随烟气流量的变化

图10出示了首排工质温度随烟气进口流量的变化，从图中可以看出，各种管排组合方案的首排工质温度随烟气进口流量的增大而增大，“单对单”和“整体对整体”的斜率比较接近，而“混合”方案增大的趋势比其它两种小，这在换热器安全上也是较其它两种更有利的。

175℃/度170温质工165 单对单排 整体对整体首160 混合15515014580085090095010001050110011501200

烟气流量/(Nm3/h)

图10 首排工质温度随烟气流量的变化

图11为末排管壁温度随进口流量的变化图，在图中可以看出，各种管排组合方案的末排管壁温度随烟气进口流量的增大而增大，“单对单”和“整体对整体”的斜率比较接近，而“混合”方案增大的斜率比其它两种大，这在避免露点腐蚀上也是较其它两种更理想的。

160℃ 单对单/度155 整体对整体温 混合壁管150排末14514013513080085090095010001050110011501200

烟气流量/(Nm3/h)

图11 末排管壁温度随烟气流量的变化

105

WK100 单对单/量总95 整体对整体 混合收回90热8580757065

80085090095010001050110011501200

烟气流量/(Nm3/h)

图12 热回收量随烟气流量的变化

热回收量随烟气流量的变化出示在图12中，从图上可以看到热回收量随着烟气流量的增大而增大，“混合”方案增大的斜率和“单对单”很接近，“整体对整体”的斜率有略微减小的趋势。产汽量的变化图线与热回收量的变化规律是一致的，如图13所示。

170)h/gk160( 单对单/量 整体对整体汽150 混合产140130120110800

850

900

950

1000

1050

1100

1150

1200

烟气流量/(Nm3/h)

图13 产汽量随烟气流量的变化

3. 结论

本文使用VB软件编制了基于管排组合的分离式热管换热器的设计和模拟于一体的计算软件，模拟了在各种管排组合方案下换热器的变工况特性，主要考察变烟气进口温度和变烟气流量对系统性能和管排组合的影响。得到以下结论：

（1）在定工况下，“单对单”首排工质温度最高，末排管壁温度最低，这对安全是不利的，但是这种方案的热回收效果是所有管排组合方案中最好的。“整体对整体”的首排工质温度最低，末排管壁温度最高，是所有组合方案中安全效果最好的，但是热回收却是最少的。“混合”方案既能满足较好的安全效果，又能回收较多的热量，总体来讲是最适宜的。

（2）在变进口温度下，烟气出口温度、首排工质温度、末排管壁温度、热回收总量、产汽量和烟气侧对流换热系数均随烟气进口温度的增大而增大。“单对单”的首排工质温度随烟气进口温度变化的斜率最大，而末排管壁温度随烟气进口温度变化的斜率最小，它的安全效果是最不利的；而“整体对整体”和它相反；“混合”方案处于二者之间。从热量回收的角度，“混合”方案依然是最优的方案。

（3）在变进口流量下，烟气出口温度、首排工质温度、末排管壁温度、热回收总量、产汽量和烟气侧对流换热系数均随烟气进口流量的增大而增大。“混合”方案的首排工质温度随烟气进口温

度增大的斜率比其它两种管排组合方案的小，末排管壁温度随烟气进口温度增大的斜率比其它两种管排组合方案的小，这在安全效果上是有利的，而回收量和产汽量变化也比较接近“单对单”。

（4）以上结论可以为热管换热器用于余热回收提供一定的技术支持，同时为设计者设计热管余热回收器提供一定的参考价值。

参 考 文 献

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