摘 要

相变换热器技术是热管技术的延伸与发展，它是传热学、锅炉原理、工程热力学、自动控制技术等多个学科的融合与创新，两者都是利用工质的相变潜热起到强化传热的目的。相变换热器通过调节冷却流体流量来保持内部温度、压力恒定，控制工质吸热速率与放热速率的平衡点，实现壁面温度可控可调，它改善了热管因长时间工作产生的不凝气体无法排除而影响热管换热效果的缺点，解决了设备老化问题，延长了使用寿命。论文主要研究内容如下：

（1）总结相变换热器技术的传热机理、优势特点。选取余热锅炉回收系统作为分析对象，对比传统换热器，分析相变换热器实现壁温可控可调的作用机理及在节能减排上的技术优势。

（2）研究相变换热器技术及热管技术的实际工程应用，通过对相变换热器系统的结构设计，分析其在解决低温腐蚀，实现壁温调控，降低排烟温度，提高余热回收效率的技术应用及所产生的经济效益。

（3）对圆管内如何利用气液相变传热的机理过程进行数值研究，分析圆管内水蒸发相变过程中液态水速度、蒸汽速度、蒸汽体积分数、管内压力及温度变化情况，发现换热起始形式为单相自然对流换热，随着蒸汽大量产生形成汽柱，造成液体强烈扰动，传热能力大大增强。

关键词：相变换热器 壁温调控 数值模拟 相变传热机理

Abstract

Phase change heat exchanger technology is the extension and development of heat pipe technology. It is the integration and innovation of heat transfer, boiler principle, engineering thermodynamics, automatic control technology and other disciplines, both of which are to use the latent heat of phase change of working medium to enhance heat transfer. The phase change heat exchanger keeps the internal temperature and pressure constant by adjusting the flow of cooling fluid, controls the balance point between the heat absorption rate and the heat release rate of the working medium, and realizes the controllable and adjustable wall temperature. It improves the defect of the heat pipe that the non condensable gas produced by the long-time operation can not be eliminated and affects the heat exchange effect of the heat pipe, solves the problem of equipment aging, and extends the service life. The main contents of this paper are as follows:

(1) The heat transfer mechanism and advantages of phase change heat exchanger technology are summarized. Compared with the traditional heat exchanger, the paper analyzes the function mechanism of the phase change heat exchanger to realize the controllable wall temperature and its technical advantages in energy saving and emission reduction.

(2) This paper studies the practical engineering application of phase change heat exchanger technology and heat pipe technology. Through the structural design of phase change heat exchanger system, it analyzes its technical application and economic benefits in solving low temperature corrosion, realizing wall temperature control, reducing exhaust gas temperature and improving waste heat recovery efficiency.

(3) In this paper, the mechanism of heat transfer by gas-liquid phase change is studied numerically, and the changes of liquid water velocity, steam velocity, steam volume fraction, pressure and temperature in the process of water evaporation and phase change are analyzed. It is found that the initial form of heat transfer is single-phase natural convection heat transfer. With a large number of steam generated, steam column is formed, resulting in strong disturbance of liquid and increased heat transfer capacity.

Key words: phase change heat exchanger, wall temperature controllable and adjustable, numerical simulation, phase change heat transfer mechanism

目 录

第1章 绪论 1

1.1 研究背景及意义 1

1.2相变及两相流概述 1

1.3相变换热器的提出 1

1.4相变换热器技术的研究现状 2

1.4.1相变换热器的研究历程 2

1.4.2相变换热器的数值模拟 3

1.5本课题主要研究内容 3

第2章 相变换热器技术的理论研究 5

2.1热管技术的理论基础 5

2.1.1热管工作原理 5

2.1.2重力热管的结构与工作原理 6

2.1.3热管的基本特性 6

2.2相变换热器技术的理论基础 7

2.2.1相变换热器的工作原理 7

2.2.1换热机理 8

2.2.2壁温调控理论 9

2.3热管换热器与相变换热器的技术差异 9

2.4本章小结 10

第3章 相变换热器技术的工程应用与分析 11

3.1相变换热器余热回收系统 11

3.1.1相变换热器系统设计 11

3.1.2工程经济性分析 12

3.2热管技术的工程应用 13

3.3本章小结 14

第4章 圆管水蒸发相变的数值模拟 16

4.1气液两相流模型 16

4.2模型的建立与条件设置 17

4.2.1物理模型及网格划分 17

4.2.2边界条件及物性参数 18

4.2.3求解设置与迭代计算 21

4.3圆管内水蒸发相变数值模拟结果分析 23

4.4本章小结 24

第5章 总结与展望 25

5.1总结 25

5.2展望 25

参考文献 27

致谢 29

第1章 绪论

1.1 研究背景及意义

我国的能源消耗量随着社会经济的快速发展而迅猛增加，能源供需矛盾不断加剧，随之带来的环境问题也日益严峻。为解决能源短缺、环境恶化的问题，人们将目光投向新能源领域，同时社会也大力倡导节能减排，以缓解能源环境问题。

为实现资源的合理利用，解决能源紧张问题，“十一五”规划纲要中提出了“节能减排”这一项战略方针，它切实保证了我国经济和社会的可持续发展。高效的换热设备和强化传热技术在各个领域的广泛应用推动了节能技术的发展。其中相变换热器技术由于自身显著的优点，在提高能源利用率、回收低温余热过程中取得很好的效果。目前为止相变换热器技术已经在电站锅炉和大中型工业锅炉得到了很好的应用，在显著降低排烟温度和金属设备温度的同时，能够维持金属受热面最低壁温在较高的温度水平，防止酸露腐蚀，为改善热污染和节约能源提供有效的途径^[1]。因此相变换热器技术越来受到重视和推广，在实际工程中得到广泛的应用。

1.2相变及两相流概述

自然界中，物质有固相、液相、气相三种形态。当物质的形态发生变化时，伴随着相的变化及能量的转移。相变过程的本质上就是一种传热传质过程，利用该过程的相变潜热以增强换热效果是强化传热技术之一。

两相流是指同时含有两种相物质且具有相界面的流动系统。如气液两相流、液固两相流、气固两相流等。在实验研究及工业生产中，气液两相流最为常见，研究气液两相流的相态分布、传热机理及运动规律多以实验现象分析、数据整理和经验公式推导为主。气液相变换热是指伴随着相变的发生，气液两相流与管道壁面之间的传热过程，它实际上是一种传递热量时发生相变潜热释放的对流换热^[4]，在工业锅炉、核动力工程、油田及气田的开采、化工设备等工实例中均有应用^[2.3]。

1.3相变换热器的提出

相变换热器技术是由上海交通大学的杨本洛教授在专利中首次提出，杨教授在专利中构建了相变换热器的装置结构并详细阐述了其工作过程，可实现优势特点。相变换热器技术主要是为解决工业锅炉低温余热回收系统中低温腐蚀和废气余热回收效率低的问题。锅炉、工业窑炉等行业所使用的燃料中含有少量硫元素，在高温环境下，硫成分与空气中的氧气发生化学反应生成SO₂、SO₃，SO₃ H₂O=H₂SO₄，硫酸蒸汽遇到低温壁面时冷凝，附着在金属面上的硫酸液具有腐蚀性，造成管道设备的损坏 ^[10]。尤其是在烟气余热回收系统中，利用废气余热作为热源，在换热器内与冷流体进行热量交换，此时换热器壁面温度可能低于硫酸蒸汽的凝结温度，造成硫酸蒸汽的凝结，影响换热设备的换热性能和安全运行。硫酸蒸汽的凝结温度即为酸露点。