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无锡东进:管式换热器的物理模型与边界条件

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1 物理模型与边界条件

翅片管式换热器换热过程:换热铜管中的高温制冷剂(水)的热量通过导热的形式传递给管外翅片,翅片的热量以对流方式传递给翅片表面冷空气,通过不停地吹入新的冷空气达到冷凝的目的。翅片管的结构尺寸,波纹3组对称圆孔D=3mm开孔在基管对称中心位置之间。

翅片排列具有周期性和对称性,模型取一个翅片单元和翅片上下空气流道为研究对象。为保证无回流,在空气流动的方向上,入口、出口作适当延长,计算区域。翅片的表面与流体相交面为耦合(coupled).由于翅片很薄,忽略翅片端部传热,认为绝热;忽略铜管壁厚导热温差;忽略翅片和铜管外壁接触热阻,认为翅片根部和铜管外壁温度相同。翅片为铝合金材料,基管用铜材料。

2 研究方法

在gambit中建立热边界和混合边界条件,用splitvolume工具得到wallshadow耦合边界条件,这种边界条件可以实现流体和固体的换热。网格采用六面体和四面体混合结构性网格,根据不同计算区域精度要求的不同,采取分块划分。本研究模拟计算采用FLUENT6.2软件,边界条件的设定如表2所示。计算在三维直角坐标中进行,三维不可压、稳态、湍流流动。计算数学模型采用标准k-ε两方程模型,各方程的离散化均采用二阶迎风格式,同时用Simple算法求解上述控制方程的离散方程组,将能量方程与动量方程进行耦合求解。为保证求解精度,在求解过程中,当连续性方程和动量方程的残差达到10-3,能量方程的残差达到10-6,认为计算收敛[6].

3 模拟计算结果

因篇幅需要,本研究只取距离翅片1.5mm、v=3m/s的速度场、压力场、温度场说明问题。开孔后速度分布有明显的变化,尾流明显变小,相对速度有很大提高,增强换热。

波纹穿孔翅片的表面温度要低于波纹翅片的表面温度,因为波纹穿孔翅片很好地破坏边界层,同时减小速度场与温度场梯度的夹角,增加了协同性,强化传热效果更为显著使对流边界层的换热性能大大加强。

穿孔后压力有很小的变化。

距翅片1.5mm处的空间温度分布看,与基管接触处的温度最高,但背风侧的温度变化明显低于迎风侧,说明迎风侧的换热效果优于背风侧,因为背风侧有尾流区,影响了换热,穿孔后减小了尾流面积,使换热加强。

4 实验方法

4.1 实验装置

实验系统包括风洞系统、水系统和测温系统。实验台用风冷模型。实验时水走管程,空气从管外横掠管束。水流量由阀门控制,水从水箱出来经电加热箱加热后,再通过试件与空气换热后回到水箱。空气流量由风机转速来调节。 空气进出口温度、水进出口温度皆由热电偶测量,测量精度为±0.1℃。管外空气流速由毕托管测量,测量精度为0.5级。水流量由转子流量计来测量,测量精度为0.5级。实验用的翅片管结构是外侧换热表面得到扩展的一种形式,整体轧制而成,故没有翅片与管体的接触热阻。

4.2实验数据

整理其步骤是:先由实验数据确定流体的定性温度,再由流体的定性温度查物性参数表确定各物性参数值及Pr的值,然后将数值代入求出对应的Re及Nu值,最后将各组实验数据求出的Re、Pr及Nu值,对上式进行回归,确定C、n和m值,即可得到翅片管的对流换热传热准则方程式。对于翅片管,在Re=1000~7000内,传热准则方程为式(15)。

波纹开孔翅片h(表面换热系数)和Nu(努谢尔特数)明显高于波纹翅片,提高风速,换热能力也大大加强。两种曲线基本和实验结果吻合。

两种翅片管的压降随着风速的增大而增大。在风速较小时,波纹穿孔翅片与波纹翅片的压降基本相同,但在提高风速时,波纹穿孔翅片的压降明显要比波纹翅片增长得快。这是因为波纹翅片穿孔后,增强扰动,也增大了空气流动阻力。

5 结论

(1)波纹穿孔翅片与波纹翅片相比阻力几乎没有变化,传热加强。由于穿孔后使层流边界层遭到破坏,有利于强化传热,并且也使尾流区域大幅度的减少,传热系数明显提高,与波纹翅片相比提高近30.(2)提高风速虽能使传热系数提高,但随着压降大幅度的增加(阻力急剧增大),风机的功率消耗大大增加,证明提高风速不是理想的强化传热方式。

(3)穿孔翅片能增加扰动和破坏流动边界层的连续增长,同时也减小速度场与温度场梯度的夹角,增加了协同性,强化传热效果更为显著。