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基于汽车尾气热利用装置烟—水换热表面强化换热研究

徐承隆  
【摘要】:改革开放以来,在我国经济快速发展和工业化的进程中,原先的粗放型、高能耗的经济发展模式已经逐渐暴露出其弊端,我国约有1/3的石油能源是被汽车所消耗,然而汽车内燃机燃烧过程中,仅有约25%用于汽车行驶及附件,30%的能量以散热的方式被消耗,约40%的能量则以尾气排放的方式流失到环境中。如果能够充分回收利用尾气废热能量,将有利于提高车辆的燃油经济性,进而节约石油资源,减少温室气体排放,具有良好的环保功效。因此,汽车尾气余热回收利用技术已成为当今业内热点研究方向之一。 在汽车尾气余热回收利用技术中,对流强化换热手段是其中的关键技术。随着对流换热强化技术的进步,换热器换热性能不断提升,这对汽车节能减排具有重要意义。针对汽车余热换热器具体强化换热表面的强化机理和结构优化方面研究较为匮乏,本文在分析了国内外强化换热技术的发展现状后,针对不连续双斜向内肋换热管的内肋进行了重新设计,采用流线型的内肋形状。基于多纵向涡发生技术和场协同理论的新型强化换热管,文中使用场协同理论对其强化换热机理进行了探讨,从场协同角分析该换热管优于其他常见换热管的原因,为后续的仿真和实验提供理论依据。 借助ANSYS/ICEM-CFD和FLUENT计算流体力学软件,对圆形和方形内肋换热管都进行了建模及模拟仿真,得到不同内肋管的综合强化换热效果随尺寸变化的规律性,并对其特性尺寸(肋长l、肋倾斜角、肋高度h和肋间距P)进行结构优化,分别得出了内肋的最优尺寸。圆形和方形内肋换热管的内肋最优结构参数分别为:l=38mm,=45o,h=2.5mm,P=60mm和l=32mm,=30o,h=4mm,P=60mm,其综合强化换热指标PEC分别可达1.396和1.07。此外,对圆形DISR管和方形DISR管进行了综合换热效果的优劣对比,使用场协同理论分析了圆形DISR管优于方形DISR管的原因。 依据模拟仿真结果,选择三种典型不同尺寸的内肋换热管和普通光滑管为实验验证对象,设计并搭建汽车尾气热利用装置烟-水换热表面强化换热模拟实验系统。在不同工况下,测得管进出口气体流体温度、流速、静压、水温和换热管壁温,测算出相应的努赛尔数Nu和综合换热评价指标PEC。实验结果表明,内肋换热管与普通光管相比Nu更高,传热效果更好;根据PEC指标高低找出了所选择三种典型内肋换热管优劣排序;实验与仿真结果吻合度较好,模拟仿真方法可信。 本文研究完成了对DISR换热管的数值模拟和试验验证,为场协同理论在汽车尾气余热利用技术上的应用提供了依据。


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