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板翅式换热器物流分配特性及换热的研究

张哲  
【摘要】: 板翅式换热器由于具有效率高、体积小等突出优点,在航空、化工、HVAC等领域具有不可替代的地位。由于换热器在设计、制造、装配、安装、运行中的种种问题引起其内部流动的不均匀分配,从而造成换热效能的下降。如何改善换热器内部的物流分配,提高换热器整体效能的研究,一直得到了很多学者的共同关注。 本文首次数值地研究了目前工业中应用的传统型封头与导流片对板翅式换热器内部物流分配的影响。数值计算结果表明,换热器内部存在严重的物流分配不均匀性。在对物流分配不均匀性分析的基础上,对多种改进型封头和导流片结构进行了数值计算,计算结果表明,改进的封头和导流片结构可以有效地改善换热器内部的物流分配。同时数值研究还发现,影响导流片导流性能的主要因素包括导流片进口流速不均匀度、导流角度、导流片开孔率等。 本文扩展完善了板翅式换热器物流分配不均匀性实验系统,在原先只能进行单相液体实验的基础上扩展成可以进行单相气体、气液两相物流分配实验以及换热实验。同时开发了一套基于可编程二次仪表的智能型﹑高精度计算机数据采集系统,对实验系统中的压力﹑流量﹑温度进行实时监测。同时对目前工业中广泛使用的板翅式换热器进行了结构模化设计,以便研究其内部物流分配的情况。 实验研究了不同的入口结构对换热器气态物流分配的影响,研究结果表明,目前空分系统中广泛使用的导流片与封头结构造成换热器内部严重的物流分配不均匀。研究还表明流体雷诺数对换热器内部物流分配不均匀的影响是非常严重的。同时得到了不同入口结构的物流分配不均性参数与流体雷诺数之间的关系式。 提出了孔板封头结构,并且实验研究了孔板上小孔的孔径、孔的分布、孔板长度以及封头尺寸大小对板翅式换热器内部物流分配不均匀性的影响。研究结果表明,孔板封头结构极大的改善了换热器内部物流分配,换热器内部的最大流速与最小流速之比由改进前的3~4倍降低到1.1~1.2倍,其中错排孔板封头具有最佳的改进效果。 实验研究了板翅式换热器两相流物流分配的问题,研究发现,两相流在板翅式换热器内部通道分布比单相流更加不均匀;进口流量和干度是影响板翅式换热器两相流物流分配的主要因素;对于两相流在换热器出口截面上的分配,其不均匀主要体现在液相上,其中又以横向不均匀为主。 在对板翅式换热器内部物流分配不均匀研究的基础上,进行了物流分配不均匀对换热器效能影响的实验研究。通过实验研究发现物流分配不均匀导致换热器效能的严重下降,同时通过实验得到了换热器物流分配不均匀参数与换热器效能恶化程度的关联式。 实验结果与数值计算结果对比表明二者吻合较好,说明了数学模型及算法建立的可靠性。本文的研究方法及结论对板翅式换热器的优化设计具有重要意义。


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