翅片管式换热器表面粉尘颗粒物沉积特性的数值模拟与实验研究

发布时间：2020-05-15 12:20

【摘要】：翅片管式换热器是目前制冷空调、化工等多种行业中常用的换热器形式。房间空调器中所使用的翅片管式换热器经长期运行后,表面会积聚大量的灰尘,这些灰尘会增大气流在翅片间的流动阻力并同时增大翅片侧的热阻,导致空调器的长效性能出现衰减。对于空调系统的能效,人们不仅关注空调器新出厂时的能效水平是否达到国家能效标准的要求,更关注空调器在长期使用过程中的能效是否会因积尘而导致出现严重的衰减。因此,为了能够评价空调器的长效性能衰减情况并提高空调器的长效性能,有必要从建立加速测试方法、构建评价标准、优化换热器结构等多方面来开展研究。而目前在这些方面的研究存在一些不足之处,包括缺乏能够快速预测空调换热器表面积灰过程的模拟方法、缺乏能够定量分析积灰对空调换热器性能衰减影响的测试方法、以及缺乏能够方便地预测积灰对换热性能的影响从而能够快速检测换热器结构优化效果的分析工具等。本文的工作则是基于目前空调换热器长效性能研究中存在的不足来开展针对性的研究,主要的研究内容包括理论建模部分和实验研究部分,并取得了如下的研究成果:1)建立了翅片表面为干燥状态时的颗粒物沉积的数值模型。本文通过分析翅片表面干燥时的颗粒物沉积的物理过程,依次建立了颗粒物传输子模型、颗粒物-翅片碰撞子模型和颗粒物-污垢层碰撞子模型。通过将惯性颗粒物设置为具有球型形状的离散相,并分析颗粒物在翅片流场间所受到的气流曳力作用,来计算颗粒物的运动轨迹;通过分析入射颗粒物在与翅片/污垢层碰撞形变过程中的能量守恒和受力平衡情况来得到入射颗粒物的沉积判定条件以及已沉积颗粒物的移除判定条件,并计算得到入射颗粒物发生沉积时的临界碰撞角、临界沉积速度以及已沉积颗粒物发生移除时的临界移除速度。并基于模型分析了波纹翅片流场间的颗粒物运动轨迹和颗粒物分布特性、以及不同翅片结构参数和工况参数对干颗粒物沉积率的影响。2)建立了翅片表面为析湿状态时的颗粒物沉积的数值模型。本文在上述干工况下颗粒物沉积模型的基础上,考虑了翅片表面含湿时对颗粒物运动轨迹以及颗粒物捕集作用的影响。通过分析湿空气中的水蒸气在翅片和液膜表面的传质过程,来分别建立冷凝液滴的形成和生长的数学描述;当翅片表面含湿量较大时,冷凝液滴对颗粒物具有纯捕集作用,此时的颗粒物捕集效率由颗粒物的运动轨迹来决定;当湿污垢层内的含湿量逐渐降低时,颗粒物将与湿污垢层表面发生碰撞作用,此时的颗粒物捕集效率由颗粒物的沉积判定条件来决定。并基于模型分析了波纹翅片表面含湿时的颗粒物运动轨迹和颗粒物分布特性、以及不同翅片结构参数和工况参数对表面含湿时的颗粒物沉积率的影响。3)实验研究了干工况和析湿工况下换热器表面积尘特性以及湿颗粒对空气侧性能的影响,并对颗粒物沉积模型进行了实验验证。分别设计并搭建了换热器在干工况和析湿工况下的积灰可视化实验装置;拍摄了干/湿颗粒物污垢在换热器翅片表面的分布特征,实验分析了不同结构因素和工况因素对颗粒物沉积质量的影响、以及表面沉积的湿颗粒对空气侧压降和换热性能的影响;将实验拍摄结果与模型计算结果进行了对比,并分别将干工况下和析湿工况下的换热器翅片表面颗粒物沉积质量测量结果与模型计算结果进行了对比,对比结果表明翅片表面的干颗粒物和湿颗粒污垢层的分布形态以及污垢层的厚度预测结果均与实验结果能够较好地吻合,模型的颗粒物沉积质量预测结果与实验数据之间的误差均在±20%以内。4)建立了换热器积尘后的污垢翅片效率计算模型。本文通过将表面覆盖有颗粒物污垢的环形翅片处理成由二维化的污垢层覆盖在一维化的干净翅片表面,从而可以方便地计算得到污垢翅片的温度分布,并最终计算得到污垢翅片效率;并通过当量半径转化的方法,将环形污垢翅片的翅片效率计算模型拓展为带圆孔的方形翅片的翅片效率计算模型。并基于模型分别分析了在精确给定和估算给定的翅片两侧污垢层厚度分布以及空气侧对流换热系数的输入参数条件下,换热器积尘后的换热量预测结果,计算结果表明本模型的误差在工程应用允许的范围内。
【图文】：

空调换热器,长期运行,表面积,情况

如图 1-1 所示为空调换热器使用一定年限后的表面积尘情况，，可以看后的空调换热器表面会积聚大量的灰尘。因此对于空调器长效性能的认为需要迫切研究积灰对空调换热器长效性能的影响。

表面微观形貌,积尘,表面微观形貌,颗粒物

(c) 放大 1000 倍 (d) 放大 2000 倍图 1-2 积尘颗粒物的表面微观形貌Fig. 1-2 Microscopic appearance of deposited dust particles.在有些场合下，换热器表面除了沉积有粉尘颗粒物外，可能还包括有纤维
【学位授予单位】：上海交通大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TK172

【参考文献】