翅片管式冷凝器传热优化数值模拟研究

摘要

强化传热技术,由于能使换热设备的工作效率提高,减少重量和体积,故一直受到科技界和工业界的重视。换热器的强化传热技术及其应用随着强化传热技术研究的发展也得到广泛的认可。 本论文分为两部分研究内容,第一部分首先以翅片管式冷凝器作为研究对象,对单元翅片管在一个周期区域内进行数值模拟计算,分别讨论了流体在层流和紊流两种工况下的流动和换热,得到速度场、温度场、阻力特性和换热特性。从模拟结果可以看出,流体在层流和紊流工况下,随着Re数的增加,平均Nu数逐渐增大,而阻力系数随之减小。对于层流情况下换热基本上发生在翅片的迎风侧,由于管子后面存在死区,背风侧换热基本为零。对翅片表面的局部阻力系数进行分析发现,其局部阻力系数分布不均匀,翅片前半部的局部阻力系数较大,局部阻力系数极大值出现在α=60°～80°的区域内。在紊流工况下,平均Num数明显比层流工况大,换热效果比层流工况好,并且平均阻力系数比层流时小很多,所以冷凝器在紊流情况下的工作性能比层流时好。其次,针对流体在紊流工况下进行翅片优化研究,考察不同翅片尺寸(翅片间距、翅片高度、翅片厚度)对冷凝器空气侧的流动和换热特性的影响。结果表明：对于翅片高度和翅片厚度不变的条件下,翅片间距的改变对冷凝器的流动和换热特性影响很大,说明翅片间距是影响冷凝器空气侧流动和换热的强函数。翅片管单位长度的换热量和平均阻力系数均随翅片间距的减小而增加。当翅片高度和翅片厚度不变时,分别对翅片间距为1.27mm、1.8mm、2.2mm时的翅片管进行模拟计算,翅片间距为1.27mm时的换热效果最好。翅片高度和翅片厚度对冷凝器影响的程度没有翅片间距对其影响的程度大,当翅片间距和翅片厚度不变时,对翅片高度分别为6.5mm、7.5mm、8.5mm的翅片管进行模拟计算,翅片高度为8.5mm时的换热效果最好。另一方面,翅片厚度的增加对翅片管单位长度换热量的影响微乎其微。 第二部分从换热器功耗-传热量投入产出比最优的角度出发,对冷、热流体的流速最佳匹配关系进行了分析讨论。通过分析可以看出,换热器总传热系数随单侧传热系数的变化曲线可划分为急增段、渐增段和缓增段。进入缓增段后,单侧流速的增加对总传热系数的改善作用甚微,从投入产出比的角度看是不可取的。对翅片管换热器而言,忽略导热热阻时管内外对流热阻的最佳匹配关系。应该是内外热阻处在同等地位的工况。另外,还对翅片管式换热器的传热计算方法进行了探讨,讨论了通过区域离散方法进行换热器计算的可行性。通过该部分的理论公式及计算原理的讨论,可以确定出管外空气温度分布、制冷剂在管内的温度分布等特性,为冷凝器或蒸发器的工程设计提供了计算依据。

目录

文摘

英文文摘

声明

附录物理量名称及符号表

第1章绪论

1.1引言

1.2国内外研究现状

1.3本课题主要研究内容、目的

第2章冷凝器的结构及其数理模型

2.1物理模型

2.2控制方程

2.3流动与换热边界条件的设置

2.4网格划分及控制方程离散格式的选择

2.5迭代精度的控制

2.6数据整理方法

2.7本章小结

第3章冷凝器层流和紊流工况下的速度场和温度场

3.1层流工况下的流动换热数值模拟

3.1.1速度场分布

3.1.2温度场分布

3.1.3阻力特性

3.1.4换热特性

3.2紊流工况下的流动换热数值模拟

3.2.1速度场分布

3.2.2温度场分布

3.2.3阻力特性

3.2.4换热特性

3.3本章小结

第4章紊流工况下翅片结构优化研究

4.1翅片间距对换热及阻力的影响

4.2翅片高度对换热及阻力的影响

4.3翅片厚度对换热及阻力的影响

4.4本章小结

第5章换热器的冷、热流体的流速匹配研究

5.1一个算例引出的流速匹配问题

5.2流速匹配的优化分析方法

5.3翅片管换热器的流速匹配关系

5.4本章小结

第6章翅片管式换热器的传热计算

6.1计算原理

6.2计算相关公式

6.3换热系数与翅片效率的确定

6.3.1管外换热系数的计算

6.3.2管内换热系数的计算

6.3.3翅片肋效率的计算

6.4算例

6.5本章小结

结论

参考文献

攻读学位期间发表的学术论文

致谢