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圆管管翅式换热器肋侧二次流强度及其强化传热特性研究

胡万玲  
【摘要】:随着现代化工业的迅速发展和人类生产、生活水平的不断提高,全球能源形势日趋紧张,能源危机已成为一个世界性问题。而我国能源消耗总量占世界能源消耗总量的20%,是世界上能源消耗最大的国家。为了节约能源,我国明确提出,在“十二五”期间单位GDP能源消耗要比“十一五”期末降低20%。所以,全国各行各业已广泛开展“节能降耗”工作。作为三大能耗领域之一的建筑能耗占当年社会总能耗的20%~30%,并且随着我国城市化进程的不断推进和人民生活水平的不断提高逐步增加到三分之一以上。而空调系统能耗是建筑能耗的主体之一,约占建筑能耗的50~60%。因此,降低空调系统能耗已成为我国完成“节能降耗”工作的重要组成部分。空调系统中的各种换热器是耗能的主要组成部分,换热器性能的优劣将直接影响着能量消耗水平的高低。因此,研究换热器传热的强化技术并设计新型高效的紧凑式换热器,不仅是现代工业发展过程中必须解决的课题,也是开展“节能降耗”工作的紧迫任务。对于空调系统中最常用的圆管管翅式换热器,通常,肋侧流动的工质为空气,管内流动的是水或制冷剂。一般空气侧传热热阻占整个换热器热阻的70%~90%,组织空气流动的能耗是组织水或制冷剂流动能耗的5~8倍。可以说空气侧换热性能的优劣直接决定了整个换热器换热性能的优劣。因此,如何减小空气侧的热阻、强化空气侧换热的同时减少组织空气流动所需要的高品位能的消耗成为研究的重点。本文在翅片与管壁为等温的边界条件下建立了圆管管翅式换热器肋侧通道的数值模型,研究了换热器肋侧传热与流动问题。为了强化圆管管翅式换热器的换热性能,提高换热器空气侧的换热系数,本文以应用二次流强化传热技术为背景,在圆管管翅式换热器的平直翅片表面安装了小翼式涡产生器,并对加装涡产生器后圆管管翅式换热器肋侧的二次流强度及其强化传热特性进行了数值研究。通过研究得到以下主要结论:(1)等壁温边界条件下的数值方法可以很好地用于研究圆管管翅式换热器肋侧传热与流动问题,该方法大大简化了物理模型和计算过程。(2)在本文研究的涡产生器几何形貌及布置参数范围内,把攻击角θ=35?、翼高H=1.75 mm的三角形小翼式涡产生器起始位置放置在圆管尾部垂直于和平行于来流方向的两条切线的交点上时,换热器能获得较优的综合传热效果。(3)在本文研究范围内,在相同的来流速度及换热器来流进口面积下,较优翅片间距Tp随着来流速度ufront的变化而变化,当ufront=1.75 m/s时,较优Tp=2.25 mm;当ufront=2.5 m/s时,较优Tp=2.0 mm;当ufront2.5 m/s时,较优Tp=1.75 mm。(4)在本文研究范围内,在相同的来流速度及换热器来流进口面积下,较优管间距也与来流速度ufront有关,当ufront≤3.5 m/s时,横向管间距S1越大换热器综合传热性能越好;当ufront3.5 m/s时,S1=23 mm左右时换热器的综合传热性能较好,而纵向管间距S2越小,换热器的综合传热性能越好。(5)当涡产生器的形状及起始位置都确定后,获得了Nu及f分别与Re,Tp,H,?,S1,S2之间的关联式。(6)绝对涡通量Jn ABS及其无量纲参数Se可以很好的量化带涡产生器的圆管管翅式换热器肋侧通道内的二次流强度。(7)对于本文所研究的圆管管翅式换热器,换热器肋侧空气的体积平均无量纲二次流强度Sem与Nu数存在唯一对应的关系,并获得了Sem与Nu的关联式,但Sem与f不存在唯一对应的关系,这说明二次流强度仅决定了圆管管翅式换热器的换热性能。


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