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板肋管换热器传热流动特性的实验研究与计算

陈健  
【摘要】:板肋管换热器作为一种高效紧凑式换热器,在动力、化工、石油化工、制冷等工业领域应用广泛,是目前使用最多的换热器之一。研究和分析板肋管换热器的特性具有重要的现实意义,对节能减排有推动作用。翅片结构是影响板肋管换热器性能的关键因素之一然而,对于不同结构和翅片形式的翅片换热器,尤其是一些新兴开缝翅片结构的板肋管换热器,现有的经验公式尚不能满足对其换热和流动特性的要求。因此采用实验方法是获得特定翅片结构板肋管换热器传热和流动特性的最有效的途径。 本文针对一种应用于电机冷却系统的特定结构的板肋管换热器,利用焓差法实验台对该换热器的流动换热性能进行了实验研究。主要在不同风速条件下(1-5m/s),对两种翅片间距(2.1mm,2.3mm)的平直翅片结构板肋管换热器、新型开缝翅片结构板肋管换热器的换热特性和阻力特性进行了实验研究。与此同时,本文在水侧温度(45℃,(79,80,82,90)℃)对换热器空气传热性能的影响进行了实验分析。实验研究结果表明,在实验测试翅片间距范围内,平直结构翅片对流换热系数h均随着翅片间距增大而增大,而开缝结构翅片的对流换热系数h均随着翅片间距增大而减小,两种翅片结构换热器压降损失△P随着翅片间距增大而减小。对于不同的风速条件,当翅片间距为在2.1mm时,平直结构翅片和开缝结构翅片的换热系数分别为44~93.7和63~138W/m2·℃;当翅片间距为在2.3mm时,平直结构翅片和开缝结构翅片的换热系数分别为58~104和52.7~131.7W/m2·℃。当翅片间距为在2.1mm时,平直结构翅片和开缝结构翅片的最大压降为32~131和40~199Pa;当翅片间距为在2.3mm时,平直结构翅片和开缝结构翅片的最大压降为25~130和33.6~182Pa。对于测试的两种翅片间距,开缝翅片结构板肋管换热器的换热系数h较平直翅片结构板肋管换热器提升26%-47.7%,但压降损失增加了34.4%-42.9%。本文通过对实验数据进行分析,得到了两种水侧工况下总换热系数,空气侧对流换热热阻,对流换热系数与换热器迎面风速的关系,同时对换热器性能参数j和f因子进行了分析,并整理得到Re-Nu和Re-f的指数关系式子,为该种电机冷却用板肋管式换热器提供设计依据。 利用fluent软件对以上平直翅片换热器结构的流动传热特性进行数值分析,数值方法采用有限体积法,对控制方程所规定的区域上进行区域离散,利用K-ε湍流模型计算求解。同时在压力和速度的耦合采用SIMPLEC运算法则,用QUICK格式对动量方程,湍动能方程,湍流耗散率方程和能量方程进行离散化,采用分离变量法隐式求解。计算结果表明,1-5m/s风速以及85±5℃水侧温度下,换热量沿管排方向呈递减趋势。在第一管排区域内传热量和压降最大,分别占到48.3%-81%和21.5%-23.3%。模拟与实验结果对比表明,对流换热系数最大偏差13.4%,而在压降损失上,两者最大偏差达到150%。结果表明,数值算法在网格质量,边界条件的合理性等方面直接影响计算结果,本文采用的数值算法对于模拟板肋管换热器对流换热还存在一定的局限性。


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