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竖直纵向翅片管自然对流换热特性研究及结构优化

邱燕  
【摘要】: 翅片管作为一种高效的强化传热元件,广泛地应用于石油、化工、能源、冶金、核电等领域。由于其结构形式多样,应用场合多变,目前对于自然对流条件下纵向外翅片管的换热研究报道较少。对纵向外翅片管的结构参数对换热性能的影响规律及纵向外翅片管的换热关联式的研究更是尚未发现。正是基于这种现状,本文对竖直纵向外翅片管进行较为详尽的研究。 建立竖直纵向翅片管的数值计算模型。通过分析竖通道内层流向湍流的转变,确定了本文研究的翅片管的流动主要或大部分属于层流。针对计算范围内竖直纵向翅片管的温差一般小于40℃的特点,对空气物性参数的设定采用Boussinesq假设;因离散坐标辐射模型(DO模型)具有适合于局部存在热源、对称性边界和光学厚度适应性强的特点,经对比选用离散坐标辐射模型;对于计算模型中液固耦合传热问题,利用shadow面保证耦合界面上热边界条件的一致性;针对计算区域内参数变化梯度较大,网格数目多的情况,选用了混合网格的划分方法和网格自适应技术在不过分增加计算成本的前提下提高了计算精度,并获得网格独立解。该求解方法对求解自然对流条件下多种换热方式并存的情况具有一定的借鉴意义。 对竖直纵向翅片管的端面形式、基管高度、翅片长度、翅片夹角以及基管壁温与周围环境温差的各种组合进行数值研究。 端面形式的研究显示;开放式翅片管的单位质量散热量、单位面积散热量、平均传热系数和表面传热系数在3种翅片管中均为最大,但其散热量最小;弧形端面封闭式翅片管散热量最大,单位质量散热量、单位面积散热量、平均传热系数和表面传热系数也较平端面封闭式翅片管高。平端面封闭式翅片管的除散热量高于开放式翅片管,其余参数均最低。 对3种端面形式翅片管的温度场和速度场及通道内截面平均温度、平均速度进行了对比,开放式翅片管“通道”内速度提升比较均匀,在通道出口速度最高。封闭式翅片管空气速度提升主要集中在通道的入口段,通道中速度变化较小,到达出口时速度略微下降;3种翅片管进出口温差差别较大,平端面封闭式翅片管和弧形端面封闭式翅片管的温差比开放式翅片管分别多出98.4%和79.6%。 对翅片长度和翅片夹角研究表明;(1)在翅片长度固定、翅片夹角变化时,翅片管的单位质量散热量、平均传热系数、表面传热系数、金属热强度的最大值大多出现在夹角60°处。(2)翅片管的单位质量散热量、平均传热系数、表面传热系数、金属热强度随翅片长度的增加而增大。(3)对流占据的比重随翅片长度的增加而增大。对流占据比重随翅片夹角的变化出现极大值的位置因翅片长度不同而不同。 基管高度的研究显示;(1)翅片管单位质量散热量、单位面积散热量、平均传热系数、表面传热系数、金属热强度、对流占据比重均随基管高度的增加而减小;(2)除基管高度100mm单位面积散热量随翅片长度增大而变小外,在其他基管高度下单位面积散热量最大值均出现在翅片长度为30mm时。 在基管壁温与环境温差增加时,翅片管的单位质量散热量、单位面积散热量、平均传热系数、表面传热系数、金属热强度都随之增大;但对流占据比重随温差的增加出现极大值。 依据平端面封闭式翅片管65种不同结构的数值计算结果,提出了经过修正的无量纲因子d_D/H,拟合的准则关系式为;Nu=0.302(GrPr)~(0.312)(d_D/H)~(0.160)其中;2.29×10~6≤GrPr≤1.38×10~9;3.8mm≤d_D≤49.2mm;100mm≤H≤800mm。准则式与计算结果偏差平均为3.53%。较修正前的准则关系式的精度在最大偏差和平均偏差上都有所提高。 在搭建的翅片管热工实验平台上,对平端面封闭式翅片管的基管高度、翅片长度、翅片夹角及其交互作用对不同换热指标的影响次序及影响程度进行实验研究。并在此基础上对试验管段进行数值模拟,数值计算的结果与试验结果吻合较好,数值模拟结果平均偏低3.3%,最大偏差-15.9%。数值计算方法正确,精度较高。 分别以管壁平均温度60℃的散热量和单位质量散热量为试验指标进行的极差分析和方差分析表明,在研究范围内,基管高度、翅片长度、翅片夹角对平端面封闭翅片管散热量影响依次减小。基高800mm翅长50mm夹角为90°时散热量最大。对单位质量散热量影响最大的是翅片夹角,然后依次是基管高度、翅片长度。基高400mm翅长50mm夹角为60°时单位质量散热量最大。 对翅片管管束及单柱管进行数值模拟及实验研究。结果表明,数值模拟的结果与实验结果吻合良好,计算值比实验结果平均偏低6.4%。管束散热量随翅间距的增加而增大,但增幅逐渐变小。侧边单柱管散热量随翅间距的变化趋势与管束变化趋势基本相同;但中间单柱管随翅间距的变化趋势与两侧单柱管的变化趋势不同,在翅间距达到20mm后,总散热量的增加主要是因中间单柱管散热量的增加所引起的。 对等温竖板在不同间距下通道内的流动与换热利用数值模拟的方法进行了分析。在定义临界热饱和点,确定热饱和系数的基础上,拟合出热饱和间距与竖板高度的通用关系式; 其中,200mm≤H_(sb)≤1000mm,60≤T_w≤90,℃。 本文对翅片管的结构参数和翅间距的研究,对于指导翅片管换热器的设计和生产实践都具有重要意义。


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