紧凑式换热器优化设计及其相变传热研究

发布时间：2017-10-12 05:02

  本文关键词：紧凑式换热器优化设计及其相变传热研究

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【摘要】：泡沫金属作为一种新型紧凑式换热器的强化表面,在大大提高换热的同时还减小了换热器的体积和重量。本文对泡沫金属的强化换热性能进行分析,包括单因素的分析和复合循环的多目标优化分析。最后又考察了波纹翅片管换热器的相变换热特性。主要内容和结论如下：(1)分别建立了常规的波纹翅片管换热器和泡沫金属翅片换热器的数值模型,通过模型和网格考核,采用层流流动的共轭传热模型进行模拟,评价指标选择综合换热指标PEC=(j/j0)/(f/f0)1/3。结果表明：与常规波纹翅片相比,泡沫金属的多孔结构使得流体的分布更加均匀,固体骨架具有良好的导热特性,同等工况下,泡沫金属的PEC是常规波纹翅片的1.06-1.6倍。(2)对泡沫金属翅片换热器流动换热影响的因素较多,主要有几何参数、材料自身参数、操作参数等,通过对其单因素分析,发现：随着管径和流道宽度的增大,换热器的PEC逐渐下降；随着流道长度、泡沫金属孔径、材料导热系数、环境温度的增大,换热器的PEC逐渐增大；当圆管在流道左右比值为2.8左右时PEC最大；当孔隙率为0.94～0.96附近时,其PEC最大。(3)建立了基于遗传算法的复合循环的多目标优化方法对泡沫金属的流动换热性能进行分析,目标函数为：Nu、f、PEC,结果表明：对各个目标函数影响的参数由大到小分别有进口速度、圆管纵向上部距离、圆管纵向下部距离、管径、圆管横向左部距离、圆管横向右部距离等。优化后得出最佳设计点,PEC=1.1436,此时流道宽W=15.6mm,流道长度L=34.71mm,圆管直径De=8.92mm；操作参数为Vin=3.09m/s,Tin=307.55K,Ttube=278.97K。最后对得到的80组数据点进行拟合,得出相关的流动换热关联式。(4)建立了波纹翅片管换热器的相变换热模型,进行了场分析。分析结果发现：随着湿空气进口速度增加,jh逐渐减小；同样的,随着进口相对湿度的增加,jh也是逐渐减小的。
【关键词】：紧凑式换热器 数值模拟 泡沫金属 多目标优化 相变
【学位授予单位】：郑州大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TK172
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-10
• 1 绪论10-20
• 1.1 课题的背景及意义10-11
• 1.2 紧凑式换热器研究现状11-12
• 1.3 泡沫金属流动换热的国内外研究现状12-17
• 1.3.1 实验研究13-15
• 1.3.2 数值模拟研究15-17
• 1.4 相变传热的国内外研究现状17-18
• 1.5 本文研究内容与章节安排18-20
• 2 两种紧凑式换热器数值模拟分析及性能比较20-40
• 2.1 常规波纹翅片管换热器数值模拟20-28
• 2.1.1 研究对象20-21
• 2.1.2 几何模型21-23
• 2.1.3 数学模型23-24
• 2.1.4 计算结果处理方法24-25
• 2.1.5 数值计算方法25-28
• 2.2 泡沫金属翅片管换热器数值模拟28-34
• 2.2.1 泡沫金属的基本概念和参数28-29
• 2.2.2 几何模型29
• 2.2.3 数学模型29-31
• 2.2.4 计算结果处理方法31
• 2.2.5 数值计算方法31-34
• 2.3 两种不同翅片类型的对比分析34-39
• 2.3.1 评价方法的选取34-35
• 2.3.2 两种强化表面性能分析35-37
• 2.3.3 场分析37-39
• 2.4 本章小结39-40
• 3 泡沫金属翅片换热器的单因素分析40-51
• 3.1 泡沫金属翅片几何参数40-45
• 3.1.1 圆管直径40-42
• 3.1.2 流道长度42-43
• 3.1.3 流道宽度43-44
• 3.1.4 圆管沿流道方向左右值44-45
• 3.2 泡沫金属翅片自身结构参数45-49
• 3.2.1 孔径45-46
• 3.2.2 孔隙率46-48
• 3.2.3 材料48-49
• 3.3 操作参数49-50
• 3.3.1 环境温度49
• 3.3.2 制冷剂温度49-50
• 3.4 本章小结50-51
• 4 泡沫金属翅片换热器多目标优化研究51-74
• 4.1 计算单元和边界条件设置51
• 4.2 复合循环模式优化模型51-53
• 4.3 优化方法的选取及相关设置53-58
• 4.3.1 优化方法的选取53-54
• 4.3.2 相关设置54-58
• 4.4 多目标优化结果分析58-72
• 4.4.1 场分析58-60
• 4.4.2 响应面分析60-65
• 4.4.3 灵敏度和权衡图分析65-69
• 4.4.4 优化结果69-72
• 4.5 泡沫金属换热器设计关联式72
• 4.6 本章小结72-74
• 5 波纹翅片管换热器空气侧相变传热性能研究74-81
• 5.1 湿空气冷凝理论74-75
• 5.2 控制方程及相关的计算公式75-76
• 5.3 结果分析76-79
• 5.3.1 进口风速对换热性能的影响76-78
• 5.3.2 进口相对湿度对换热性能的影响78-79
• 5.4 本章小结79-81
• 6 结论与展望81-83
• 6.1 结论81-82
• 6.2 创新点82
• 6.3 展望82-83
• 参考文献83-87
• 个人简历、硕士期间科研成果及发表论文87-88
• 致谢88

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