板翅式换热器双尺度锯齿翅片流动与传热性能研究

摘要

板翅式换热器因其具有结构紧凑、轻巧、传热强度高等特点，被认为是最具有发展前途的新型热交换设备之一。翅片作为板翅式换热器的核心组成部分，其对板翅式换热器流体的流场有着直接的影响。研究表明，板翅式换热器的传热与流动阻力性能主要决定于翅片的结构、表面特性及介质物性等，因此，翅片的传热和流动阻力性能是准确设计板翅式换热器的基础，同时也是进一步提高换热器性能的重要研究方向。
　　本课题采用数值模拟的方法研究了一种改进型翅片——双尺度锯齿翅片传热与流动的特性，同时将之与结构相近的翅片——锯齿翅片作了性能方面的比较，借此进一步研究采用小尺寸偏移量来替换部分大尺度偏移量，对于翅片性能的影响。同时研究开发了板翅式换热器设计软件，用于常用的板翅式换热器的设计与校核工作。
　　通过数值模拟的方法，对不同的翅片高度Fh、翅片间距Fp、翅片厚度δf、切开长度Fq、小尺寸偏移量Fx、翅片长度Ld的双尺度锯齿模型进行传热与流动性能敏感性分析研究。获得了翅片通道内空气的温度、压力和速度的分布规律以及翅片壁面上的温度和局部换热系数的分布规律。分析了空气侧换热系数αc和压降△Pa随各结构参数以及空气入口流速对传热和流动性能的影响。为研究以及程序计算的方便，给出了翅片结构参数:翅片高度Fh=4.7～9.5mm，翅片间距Fp=2.0～3.0mm，翅片厚度δf=0.15～0.25 mm，切开长度Fq=3.0～10.0mm，小尺寸偏移量Fx=0～1.0，翅片长度Ld=45～90mm之间时，传热因子j和摩擦因子f关于结构参数Fh、Fp、δf、Fq、Fx、Ld以及雷诺数Re的拟合关联式。
　　通过对比研究了，获得了两种翅片在相同结构尺寸条件下的传热因子j、摩擦因子f以及综合评价因子j/f随着参数结构参数变化的规律。比较发现:双尺度锯齿翅片在对换热强度部分削弱的同时，却使得流体流经翅片的压降显著降低，降低了压降的要求，从而使得翅片的综合评价因子j/f相比较锯齿翅片有了显著的提高，这也就意味着双尺度锯齿翅片作为一种改进型翅片，其结构本身的设计满足了提高翅片综合性能的要求，具有应用推广的前景。
　　本文还应用Visual Basic6.0和Microsoft Acess软件研究开发了适用于不同流型和翅片类型的板翅式换热器传热计算软件，包括设计与校核计算。软件在结构组织上采用了主流的树形目录管理方式，数据库与程序计算单独管理。本软件可根据用户设计需求，设置设计控制、介质种类、结构参数，输出换热器性能和结构参数，同时实现对于数据库进行日常的管理与维护。软件计算的可靠性通过对于算例的计算得到了有力的验证。

目录

声明

摘要

主要符号表

第一章 绪论

1．1 引言

1．2 板翅式换热器的结构特点

1．3 板翅式换热器的国内外研究现状

1．3．1 国外研究现状

1．3．2 国内研究现状

1．4 论文的主要研究内容及意义

第二章 板翅式换热器的数值模拟理论基础

2．1 板翅式换热器的传热机理

2．1．1 翅片的结构特点及计算公式

2．1．2 翅片效率与表面效率

2．1．3 换热器传热量与传热系数

2．1．4 换热器压力损失计算

2．2 数值传热学研究基础

2．2．1 数值传热学求解问题的常用方法

2．2．2 数值传热学求解问题的步骤

2．2．3 湍流流动与换热的数值模拟

2．3 Fluent简介

2．4 本章小结

第三章 双尺度锯齿翅片换热器的数值模拟

3．1 双尺度锯齿翅片模型的建立及简化

3．2 网格划分

3．3 边界条件

3．4 数值模拟数据处理方法

3．5 双尺度锯齿数值计算结果分析

3．5．1 双尺度锯齿翅片温度场分析

3．5．2 双尺度锯齿翅片速度场分析

3．5．3 双尺度锯齿翅片压力场分析

3．5．4 双尺度锯齿翅片湍流强度分析

3．5．5 不同入口流速下双尺度锯齿翅片通道内流场及温度场分析

3．6 翅片结构尺寸对双尺度锯齿翅片性能的影响

3．7 双尺度锯齿翅片与普通锯齿翅片的性能比较

3．8 关联式拟合

3．9 本章小结

第四章 锯齿翅片验证性实验研究

4．1 翅片性能的验证性实验

4．1．1 实验系统介绍

4．1．2 实验的硬件设备及实验方法

4．2 实验数据处理方法

4．3 试验结果及分析

4．3．1 翅片阻力性能分析

4．3．2 翅片传热性能分析

4．3．3 数值计算与实验值对比

4．3．4 实验误差分析

4．4 本章小结

第五章 板翅式换热器设计与校核软件的编制

5．1 板翅式换热器的设计与校核理论

5．1．1 对数平均温差法

5．1．2 效能-传热单元数法

5．2 板翅式换热器无相变换热与流动基本特征数关联式

5．2．1 换热系数的计算

5．2．2 压力损失的计算

5．3 板翅式换热器设计、校核流程

5．3．1 设计计算流程图

5．3．2 校核计算流程图

5．4 板翅式换热器设计软件系统介绍

5．4．1 系统需求性分析

5．4．2 系统可行性分析

5．4．3 设计、校核计算界面

5．4．4 软件数据库及调用数据库求数据表的二元线性插值方法简介

5．5 应用举例

5．6 本章小结

第六章 结论与展望

6．1 结论

6．2 工作展望

致谢

参考文献

发表论文及科研与奖励清单