翅片管换热器结构优化与换热性能数值模拟研究

发布时间：2020-05-05 02:24

【摘要】：翅片管换热器具有较高的换热性能,目前已广泛应用于航天、化工、制冷等行业。在换热器的应用过程中,需要在原有换热器的基础上进行优化,增强换热性能,提高能源的利用效率。本文以空冷式平直形翅片管换热器为研究对象,采用Gambit软件建立换热器模型,利用FLUENT软件对换热过程进行数值模拟,分析优化后换热器的换热特性和阻力特性,并研究涡流发生器个数、涡流发生器高度、翅片厚度、翅片管外半径、翅片间距、翅片管横向管间距等因素对换热性能的影响。本文主要研究内容如下:(1)建立翅片管换热器模型,以初始平直形翅片和波纹形翅片为比较对象,研究平直形翅片优化后温度场、压力场与对流换热系数的变化情况,分析通过加装涡流发生器这种结构优化方式的强化换热机理。(2)采用控制变量的方法,改变翅片管换热器入口介质的流速,研究优化前后换热器换热性能的变化。优化后的平直形翅片单位换热量平均压降是优化前的1.09倍,努赛尔数增大了11%-23%,阻力因子增加了5%-12%,优化后翅片管换热器具有更好的综合换热性能。(3)在优化后的平直形翅片基础上,研究换热介质流速,以及涡流发生器个数和高度对换热器的换热量和阻力损失影响。随着换热介质流速的增大,压降增大,换热能力增强;在换热介质流速一定时,随安装涡流发生器个数的增加,对流换热系数与压降均增大,当涡流发生器的个数增加至6个以上时,对流换热系数的增大幅度下降,压降增大;在换热介质流速与涡流发生器个数一定时,随涡流发生器高度的增大,对流换热系数与压降增大,当高度增大至1.2mm时,对流换热系数的增大幅度下降,压降持续增大。(4)研究换热介质流速,以及翅片厚度、翅片管外半径、翅片间距、翅片管横向管间距对优化后翅片管换热器换热性能的影响。结果表明:翅片厚度由0.1mm增大至0.18mm时,对流换热系数小幅增大,压降增大,换热性能改善程度较小;翅片管外半径由3.8mm增大至4.4mm时,对流换热系数与压降均有较大幅度增大;翅片间距由1.6mm增大至1.8mm时,对流换热系数增大,压降减小,当继续增大至1.9mm时,对流换热系数减小,压降减小,流动阻力减小;翅片管的横向管间距由16.8mm增大至32.8mm,对流换热系数与压降减小。即通过选取合适的翅片间距、翅片管外半径、翅片管横向管间距可以进一步提升优化后的平行形翅片管换热器的换热性能。
【图文】：

翅片管换热器,实物,数值模拟理论

2 强化换热与数值模拟理论基础2 强化换热与数值模拟理论基础管换热器换热特点片管换热器构造和工作原理管换热器主要是由翅片、基管、外壳等组成，其中翅片管是翅片管热交换元件，如图 2-1 所示为翅片管换热器实物图。翅片管换热器的主要分为圆扁平管这三类，翅片通过与管壁相连接实现冷热流体的热量交换，由在基片，可以使得换热器的换热面积增大，使得换热器实际换热量增加，提升于翅片管换热器的翅片可以单独装在单根管子上，也可以同时装在多根管[63]。

翅片管换热器,翅片

.2 翅片管的类型翅片管是翅片管换热器中的核心部分，在对翅片管进行设计和制造时候，应当导热性、耐腐蚀性、耐高温、耐高压、容易清理等因素的影响。翅片按其在管方式，可分纵向和横向翅片两大类。其它类型的翅片管换热器都是这两种类型在对翅片管换热器进行研究设计时，可以根据换热介质的流动方向和换热的方翅片管换热器的种类。如图 2-2 所示为不同类型的翅片，在对换热的翅片选择时，应当根据翅片对翅换热特性的影响，来选择翅片的类型、尺寸和加装的位置。通常根据热扩散率翅片的位置，当翅片管内外侧热扩散率 α 相差较大时，翅片通常装在热扩散率一侧；当内外侧扩散率 α 相接近时，可以根据实际的应用和制造难度，在基管均增加翅片或者内加螺旋体外加翅片等方法，增加换热介质的扰动，，破坏流动强化换热。通常翅片的形状为圆形和矩形，常见的翅片类型有平直形翅片、波、百叶窗形翅片。
【学位授予单位】：华北水利水电大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TK172

【参考文献】