直流套管式换热器的数值模拟研究

直流套管式换热器的数值模拟研究

马志远,潘柱,陈吉

河北建筑工程学院 河北张家口 075000

摘要：由于高温熔融盐与水直接换热存在换热温差过大的问题，且一般常见的熔盐熔点较高（如三元混合熔盐熔点为142℃），若高温熔融盐与水直接换热，熔盐遇冷局部易发生凝固现象，影响熔盐放热。且水流经高温面会瞬间汽化，蒸发过程中发生相变产生较大的热应力。故本文提出利用空气-水套管结构来解决上述问题，应用Ansys软件进行数值模拟。结果表明：空气-水套管可有效解决出口水汽化问题，并具有一定的经济性。

0引言

熔融盐作为一种良好的无机蓄热材料，具有化学性能稳定、传热系数大等优点。近些年雾霾等恶劣天气的频繁出现表明了我国迫切需要推进清洁取暖，“煤改电”政策[1]是通过电加热取代煤炭燃烧进行建筑供暖，尤其是熔盐电蓄热式供暖技术，是一种绿色、环保、倡导的技术途径。本文设计了一款直流套管式换热器，希望达到既能满足生活热水的同时，又能达到节能环保、安全高效、换热器制造较为紧凑的目的。为后续的装置的设计和改进提供新的思路和理论知识。

1数值模拟理论

数值模型基于标准的模型，假设流动状态为完全湍流且高温熔融盐放热时间过长假设稳态模型，计算求解湍动能及其耗散率方程，标准的模型的湍动能和耗散率方程如下：

                 (1)

           (2)

采用simple算法确定动量离散方程的系数计算压力和速度的耦合，采用二阶迎风格式的离散方程保证二阶精度，其中动量、压力、的松弛因子在Fluent中均设置成默认值，残差设置小于10-5。

2建立物理模型

2.1建立几何模型

本文采用DesignModeler软件进行三维建模，套管内径d1=15mm，套管外径d2=33mm，管壁厚为1mm，换热管长为1m，换热管数为8根。利用低谷电加热熔融盐至800℃储存热量与内管的低温水换热进行供热，套管外管为流动空气，熔盐换热器三维模型的管材选用310S不锈钢管，可在1000℃高温下安全使用，且能承受氯盐腐蚀，符合使用要求。

2.2边界条件及计算方法

进口边界条件。选择Velecity-inlet项，该边界条件一般适用于不可压缩流体，水侧运行压力为1.8atm,内管水的速度为3.2m/s,入口温度为16℃，空气入口速度为3.8m/s，温度为400℃，出口边界条件采用Pressure-outlet压力边界条件。将换热器外表面设置成绝热面，不考虑周围环境对换热的影响。

3模拟结果及分析

通过数值模拟的方法，图1为加套管与不加套管在出口截面水不汽化时最低速度云图，分别为3m/s与8.5m/s；

基金项目：河北建筑工程学院校级创新基金（基金编号：XY202241）

作者简介：马志远（1996-），男，在读研究生. 研究方向：室内人工环境.E-mail:1808823060@qq.com

图1加套管与不加套管出口水不汽化最低速度对比

其对应速度下出口水截面的温度云图如图2所示。

图2加套管与不加套管出口水截面温度云图

从温度云图可以看出管内水温度从中心到管壁以同心圆形式分布，可以看出流体中心温度最低，管壁处温度最高。不加套管情况下，水速度在8.5m/s情况下超过换热器设计手册的经济流速，泵的功率消耗增加。接下来是加套管与不加套管的综合性能指标[2]对比：

计算公式为：水头损失，压降为，h总=

根据计算得出不加套管的综合性能指标=0.0288<0.07（加套管），说明加套管后的综合性能更优，经济性更好。虽然加套管会使换热器的总传热系数下降，但是不加套管的压降增长速率要远大于总传热系数的增长速率。

4结论

通过计算加套管的综合性能指标值0.07，大于不加套管，证明了加空气-水套管时换热器综合性能更好，更具有经济性。

参 考 文 献

[1]吴玉庭，张晓明等.基于弃风弃光或低谷电加热的熔盐蓄热供热技术及其评价[J]. 中外能源，2017，22(2):93-99.

[2]杨鹏.锥形孔折流板换热器的壳侧流动传热性能数值模拟研究[D].河北建筑工程学院，2021.