管内微直肋强化传热特性的实验与数值研究

【摘要】：石化行业是我国工业耗能最多的行业之一,换热器是该行业主要的耗能设备,且被冷介质多数为不良传热介质。肋化管束空冷器使用最为广泛,其肋化系数也较大。当被冷介质为单相时,空冷器的传热性能受限于管内表面传热系数,使得空冷器的总传热系数远低于空气侧表面传热系数,因此需通过强化管内对流传热过程来提高空冷器总传热系数。论文在不过多降低管内表面传热系数的条件下,采取管内壁面增加微直肋降低肋化系数的方法来提高空冷器的总传热系数。论文采用实验研究和数值分析相结合的方法研究管内微直肋的流动和传热特性,确定能够实现强化传热的条件。实验研究以45号变压器油为管内被冷介质,以外径8 mm,底壁厚0.5 mm,肋高0.25 mm,肋数62的微直肋管组装的6排叉排无翅片管束为实验试件。根据Zhukauskas关联式获得叉排无翅片管束空气侧换热系数,可获得管内表面对流传热系数。实验发现8×0.5×0.25/62微直肋管管束与光管管束相比,在湍流状态下,微直肋管管内侧的努塞尔数Nu_(oil)明显增大,最大增幅为18%,同时管内阻力也小幅增加,这表明:湍流状态下微直肋管可有效强化管内换热。在层流状态下,管内侧的努塞尔数Nu_(oil)明显减小,且阻力系数f增幅较大,最大增幅为19%,与光管相比,层流状态微直肋不能强化换热。数值研究使用商用CFD软件ANSYS Fluent。分析了不同肋高,不同肋数,不同肋形的微直肋模型换热和阻力特性。论文以微直肋管内换热面积为基础,用h_iF_i/h_(is)F_(is)1评价强化换热效果。结果表明:(1)在微直肋管管内雷诺数Re较小时,管内流体处于层流状态,此时h_iF_i/h_(is)F_(is)1,空冷器总传热系数K值没有增大;(2)管内流体处于湍流状态,h_iF_i/h_(is)F_(is)随着雷诺数Re增大而增大,在雷诺数达到一定值后,增长速度放缓。(3)h_iF_i/h_(is)F_(is)值随着肋高的增大而增大,当肋高e=0.3 mm时,h_iF_i/h_(is)F_(is)达到最大值1.68;当肋高继续增大时,h_iF_i/h_(is)F_(is)增速变缓。(4)肋数增加,h_iF_i/h_(is)F_(is)增大,与增加肋数相比,肋高改变对h_iF_i/h_(is)F_(is)的增长速率影响并不大;肋数N_f=120时,h_iF_i/h_(is)F_(is)达到最大值1.45。对于具有不同肋数的微肋管,相比圆管来说,阻力系数没有大幅增加。(5)正弦函数肋形,二次函数肋形,圆弧切线函数肋形三种肋形相比较,二次函数肋形的面积增加系数β最大,正弦函数与圆弧切线函数肋形的h_iF_i/h_(is)F_(is)数值区别较小;在高雷诺数时,二次函数肋形的h_iF_i/h_(is)F_(is)值在三者中最高,其阻力系数也最大。(6)通过微肋的周向局部努塞尔数与弧度θ的关系曲线发现,在肋的凹陷处换热性能最差,而在微肋的凸起部位换热性能最优。二次函数肋形的周向局部努塞尔数要优于其它两种函数肋形。(7)微直肋管管内流体横截面上湍流热扩散系数和光管相比并没有降低,热量穿越边界层底层后会被湍流流动快速传输到流动核心区域,所以湍流下微肋管的管内换热系数没有过多降低,有效提高了空冷器总传热系数K。