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新型翅片管式制冷换热器节能问题研究

李大伟  
【摘要】:翅片管式制冷换热器在越来越多领域得到广泛应用,涉及到日常冷藏存储过程、空调制冷过程及其工业、军事领域等生产生活的方方面面,其承担的节能减排任务比重上升。换热器一般应用于高能耗、高耗材的场所,在目前能源危机和节能减排的大背景下,其节能性研究越来越受重视。本文针对在日常制冷过程中经常使用的“翅片管式制冷换热器”为研究对象,在当前新片型开发、试验研究的基础上,针对其结霜工况的工作特性,开展了新片型的优化、设计及试验研究工作。旨在研发可以在整个制冷周期内维持较高换热效果的新型翅片管式制冷换热器,并对所研究的片型进行样件加工和试验研究等工作。 首先,从数值模型的选择出发,针对翅片管式制冷换热器建立了准确度更高的三维数值模型。随着计算机技术和数值求解手段的发展,数值模拟方法在计算效率和精度方面获得了长足的进步。本文以Fluent软件为工具,建立了“开孔型”翅片的三维数值求解模型,并对影响流动和换热的边界层区域进行了分析,确定了本文三维求解过程中“近壁区域”的网格划分和求解方法。将平翅片和对称开孔型翅片的模拟结果与实验结果进行对比,确定了本文模拟方法的准确性。以此确立了全文数值求解方面的模拟方法。 其次,将“正交试验方法”引入翅片管式制冷换热器的数值模拟优化研究中。正交试验可以高效的解决多因素、多水平条件下的优化设计工作。本文针对开孔型翅片的关键性参数:孔型(圆孔、椭圆孔、三角孔)、开孔位置参数(孔间距、孔管距)、孔径、片型(平片),在不同水平内进行了数值模拟正交试验。以此找到了三种孔型下的换热和流阻特性,找出了各自的“最佳设计组合”。正交试验结果分析表明:椭圆孔的强化换热效果最好,而三角孔的强化换热效果不明显。在此基础上,对开孔型翅片的强化换热机理进行了本质分析。本部分的结论奠定了新片型设计开发的基础。 最后,设计了三种新型翅片管式制冷换热器:圆形开孔型翅片(SK-C-6型)、对称椭圆孔型翅片(SK-E-A型)和正交椭圆孔型翅片(SK-E-B型)。利用风洞制冷试验台进行了严格的对比性试验研究。从制冷量、压缩机COP、平均翅片表面传热系数和蒸发器阻力四个方面分别对其流阻和换热特性进行了分析、评价。 试验结果证实了模拟结果具有很高的指导价值,此外,本文的研究方法及思路对于同类型换热设备研发工作具有很好的借鉴作用和参考价值。对比试验结果表明:①在单位面积制冷量方面,SK-E-A型翅片和SK-E-B型翅片的单位面积制冷量最高;SK-E-A型翅片较PF型翅片平均提高了37.8%,较SK-C-6型翅片提高了6.88%。单位面积制冷量进一步提高是由于PF型翅片的换热面积是四种片型中最大的。②在翅片表面传热系数上,SK-C-6型翅片的平均表面传热系数较PF型翅片提高69.9%;SK-E-A型和SK-E-B型翅片的平均表面传热系数较SK-C-6型翅片,分别平均增加16.14%、21.17%;在两种椭圆开孔翅片中,SK-E-B型翅片在高风速下其强化换热性能更加明显。③蒸发器在不同风速下的流动阻力值,与PF片比较,SK-C-6型翅片降低32.1%-18.5%,平均降低28.8%,降幅略低于SK型翅片32%的降幅;SK-E-A型翅片平均降低31.5%;SK-E-B型翅片低35.43%-19.2%,平均降低26.29%。④蒸发器COP方面,三种新片型的压缩机COP与平翅片型的比值的平均值从高到低依次为:SK-E-B型>SK-E-A型>SK-C-6型。试验结果还表明:SK-C-6型翅片在各试验风速其中三种新型翅片管式制冷换热器中,SK-E-B型翅片更加适合于“高风速下的快速制冷过程”。


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