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大功率百叶窗式冷凝器强化传热研究

邓杰  
【摘要】:百叶窗翅片结构具有良好的换热效果,广泛应用于汽车空调器,代表间断式扩展表面良好的强化传热技术。本文结合CRH2动车组牵引供电系统的主变流器相变传热冷却系统,采用百叶窗翅片代替原有平直翅片结构,基于大涡数值模拟,进行大尺寸百叶窗翅片结构的流动与传热特性分析和大功率冷凝器空气侧的强化传热分析,提高变流器冷却系统的整体换热性能,实现冷凝器的轻型、高效和节能减排,并为电力器件相变传热冷却系统设计提供理论依据和应用参考。 (1)建立了一套比较完善的百叶窗翅片阵列数值计算模型,着重分析了等效热源边界条件参数设定、几何模型、流态描述模型、数据处理方法等,数值计算结果与相关实验研究原始数据比较表明,小尺寸百叶窗翅片采用层流模型即可,而对于大尺寸情形,基于百叶窗间距LP的雷诺数ReLP超过2000,采用带平台和过渡区模型的大涡模拟计算比较合理。 (2)在数值计算模型和方法充分论证基础上,对大尺寸平直翅片和百叶窗翅片结构的流动与传热性能比较可知,百叶窗翅片的综合性能优于平直翅片,冷凝器外观尺寸相同条件下,采用百叶窗翅片结构的换热能力和有效度比平直翅片情形提高40%以上。 (3)针对大尺寸百叶窗翅片阵列的大涡模拟计算,探讨了包括百叶窗角度、窗翅间距比、翅片厚度、流动长度、百叶窗高度等结构参数的单参数影响规律,引入场协同原理分析了不同几何结构参数工况下的流动与换热特征,并提取了合理的关联参数,给出了不同于文献中的热水力特性f、j因子关联式。发现倾斜百叶片间隙开度分数LFA=(LP/FP)tanL。可用于描述不同百叶角、窗翅间距比情形的流动与传热特性规律划分,换热效果较好情形出现在0.75≤LFA≤0.858范围内。对于翅片厚度情形,应采用δ/Fth来分段划分流动与传热特性。平均压力降随流动长度、窗翅间距比呈指数关系增加。不同流动长度情形,传热系数差异较小;传热系数与窗翅间距比之间也近似为指数关系。 (4)基于热水力特性的无量纲处理,采用性噪比SN分析了不同结构参数在换热效果较好时的几种控制因子水平,可知,窗翅间距比LP/FP的贡献率最大,为34.14%,翅片厚度Fth、流动长度Fd的贡献率29.652%、16.293%次之,百叶角La的贡献率最小为8.364%。若不限制换热效果,百叶角在15°-30°范围内,窗翅间距比变化范围较广时,则贡献率从大到小依次为窗翅间距比、百叶角、翅片厚度、流动长度、翅片高度: (5)采用体积品质因子、面积功率因子、最小泵功率法、最小熵增法、最小火积耗散原理等评价指标,进行大尺寸百叶窗翅片阵列热水力性能优劣分析。当以最小迎风面积为目标时,较小的翅片厚度和较大的窗翅高度比性能较好。当以最小泵功率为目标时,单位面积传热能力相同条件下,流动长度或窗翅间距比较小时热水力特性较好。当以最小熵增法为评价指标时,在满足相同换热量条件下,较大流动长度、窗翅间距比和较小窗翅高度比结构参数组合的性能较好;翅片厚度和百叶角对熵增速率影响可忽略。此外,流动长度、窗翅间距比、窗翅高度比越大,火积耗散越小,翅片表面性能越好。 (6)建立了沸腾-冷凝相变冷却系统传热过程的热阻网络分析模型,计算分析表明,采用流动长度为240mm、160mm的百叶窗翅片结构时,空气侧热阻比240mm的平直翅片结构情形分别约减小58%、36%,整体性能得到较大改善。蒸发段液池内沸腾传热热阻仅次于空气侧热阻,尤其是采用百叶窗翅片时,沸腾传热热阻比重增至30~40%。扁管壁面导热热阻和冷凝段凝结传热热阻很小,可以忽略。原有冷却系统采用160mm的百叶窗翅片即可满足要求,冷凝器外观体积、重量减小1/3。当换热量由10kW增加到20kW,考虑温度较高的恶劣环境条件,平直翅片已不满足要求,而百叶窗翅片仍能在风量稍大时满足大功率电力器件的封装要求。


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