基于数值模拟和实验研究的新型翅片管换热器研发

发布时间：2020-05-26 12:02

【摘要】：对翅片管换热器的换热过程研究中,强化空气侧的换热过程是近年来该领域学术研究的重点。虽然很多学者已经对强化翅片管换热器的空气侧换热开展了大量的研究工作,但大部分都集中在翅片方面,如改变翅片形状、添加绕流或旋流元件等。且许多强化技术在提高换热能力的同时也带来了诸如流动阻力上升、制造成本增加、降低使用寿命降低等问题。本文在此背景下,研究提出了一种翅片管换热器的新设计方案。主要的研究内容和成果如下:一、研究提出了新式翅片管换热器的设计方法。该设计方法仿照高速公路收费站的建设,提出在传统翅片管换热器的管列之间增加导流隔板,同时调整管排纵横间距,使得前后排翅片管之间存在留空结构,从而达到减小流动阻力、强化换热的目的。二、建立了翅片管换热器的数学模型。基于计算流体力学方法,数值模拟了新式翅片管换热器和传统翅片管换热器在不同Re数下空气侧的传热和流动情况。数值计算的结果表明,相比于传统叉排翅片管换热器,新式翅片管换热器的传热能力提升了11.9~24.6%,流动阻力降低了25.5~34.0%,JF因子约为1.31;相比于传统顺排翅片管换热器,新式翅片管换热器的传热能力提高了38.0~46.7%,流动阻力降低了13.9~16.2%,JF因子约为1.48。三、基于数值模拟的结果和场协同原理,分析了新式翅片管换热器的传热和流动过程。通过分析换热器空气侧的温度场和速度场,发现新设计结构中,导流隔板对流动阻力的降低贡献较大,而留空结构对传热能力的提升贡献较大。相比于传统结构的翅片管换热器,新式翅片管换热器的协同角更小、分布更均匀。四、基于数值模拟,在不同Re数下,对新设计结构的管排纵横间距比进行了优化。模拟结果表明,只有在一定的管排纵横间距比范围内,新设计结构才能提升换热器的综合性能。在管排纵横间距比为2.3时,将新设计结构应用于翅片管换热器中能够获得最优的结果。五、搭建了翅片管换热器的性能试验台架,并制作样件,在不同进风量下进行了实验。实验结果表明,相比于传统翅片管换热器,新式翅片管换热器最多能够提升29.9%的传热能力,降低29.6%的流动阻力。
【图文】：

波形,翅片管换热器

松下知识产权经营株式会社[25]提出的专利《翅片管热交换器》如图1-1 所示。该发明专利提出了一种使用带有波形状凹凸的翅片的翅片管换热器。这种带凹凸部分的翅片形式能够优化翅片上冷凝水沉积的问题，从而降低热阻，，减小空气侧流动阻力，提高换热器整体的换热性能。

翅片管换热器,翅片

上海交通大学硕士学位论文图 1-1 翅片管换热器Fig. 1-1 Fin and tube heat exchanger[26]提出的专利《一种余热回收用不锈钢翅片公开了一种带有扰流槽、整体式翅片的全奥具有传热效率高、耐腐蚀、生产工艺简单等
【学位授予单位】：上海交通大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TK172

【参考文献】