紧凑式换热器传热和流动特性的数值模拟.pdf

中南大学硕士学位第一章绪论 ,节能降耗成为工业生产的主要目标。研究并开发适用于不同工况要求的高效能换热设备已成为当前换热技术发展的主要趋势。根据不同的工艺条件和操作工况,近年来开发设计了多种不同结构形式的紧凑式换热器,如板式、板翅式、螺旋板式、翅片管式、热管换热器已在石油、化工和制冷空调等行业得到了广泛的应用【I】,并取得了较大的经济效益。紧凑式换热器是各种传热面积与体积之比很大的工业用换热器的总称,其单侧传热面积与该侧流道体积之比称为该侧传热面积密度,即比表面积13。根据Shah和Mueller[2】的定义,13值大于700m2/m3的换热器可称之为紧凑式换热器。同传统的换热器相比,大的比表面积往往使得紧凑式换热器体积小,重量轻,随之而来是低成本,高性能。文献【3】通过对管壳式换热器和几种紧凑式换热器的水力直径及比表面积进行比较,结果表明,传统的管壳式换热器较紧凑式换热器在比表面积上和压降上均没有优势。总的来说,紧凑式换热器的优点可以概括为: (1)传热效率高具有扩展表面,换热面积大;水力直径小,消耗的泵送功率少;体积小,重量轻。(2)安装成本低需要安装的管道少,减少基础成本。(3)多股流或多流程结构适用于吸收循环。(4)工艺条件控制严格准确。(5)安全可靠性好,降低了泄漏的可能性。不同类型的紧凑式换热器有其各自的特点。如铝制板翅式换热器传热效率高,体积小,但其耐高温性差;螺旋板式换热器的两侧流体呈纯逆流流动,且对污垢具有自冲刷作用,但其承压能力有限。虽然现代科学技术的飞速发展和能源的严重短缺对各个领域不断的提出新的要求,在寻求克服换热器目前存在的技术弊端的同时,强化对流传热仍是研究开发换热器的最根本目标之一。对流换热是由流体种类、雷诺数、流道几何形状及壁面状况等诸多要素构成的复杂热传递过程。如何强化对流换热,文献【】提出三类强化技术:无源技术、有源技术和复合技术。无源技术是指除了输运流体的功率消耗不再需要其他附加动力,有源技术是指强化的实施必须依靠外部的机械力或电磁力等其他力的帮助,而两种或两种以上的强化技术同时应用以期获得更好的传热效果中南大学硕士学位第一章绪论即称为复合技术。目前应用和研究最多的是无源强化技术。具体而言,无源强化技术包含处理表面即多孔面或锯齿表面、粗糙表面、扩展表面、增加绕流元件或旋流元件、弯曲或扭曲流道本身即螺旋管、机械搅动等,在紧凑式换热器中应用广泛。其中,增加翅片是实现强化传热的有效手段之一。翅片除了扩大传热面积,提高换热器的紧凑性提高传热效率之外,其特殊结构,可使得流体在翅片流道中形成强烈的扰动或使得边界层不断破裂、更新,从而提高传热效率,有些翅片甚至可以在一定程度上有效的降低传热热阻。因此,翅片的几何形状及结构对换热器的流体传热和阻力有着很大的影响。 ,翅片是传热过程的基本元件且多用于传热热阻较大的一侧。以气液紧凑式换热器为例,空气侧的传热热阻较液体侧大,所以在空气侧多采用翅片来加强对流换热。目前空气侧强化技术主要是利用各种形式的翅片增大气侧的换热面积或改变温度场分布,发展至今,经历了三个阶段:连续型翅片、间断型翅片和带涡流发生器翅片。我们常见的翅片形式中,平直翅片和波纹翅片多为连续型翅片,而锯齿翅片和百叶窗翅片为间断型翅片,带涡发生器与上述两类翅片有很大的不同,其提高换热主要靠涡流发生器产生的横向涡和纵向涡,同时换热效果的增大不会引起阻力损失的增大。紧凑式换热器翅片一般采用以下几种类型【6】:平直翅片、波纹翅片、锯齿翅片、打孔翅片、百叶窗翅片、钉状翅片和片流翅片等。本文主要讨论锯齿翅片、波纹翅片和百叶窗翅片,。波纹翅片是将薄金属片冲压或滚轧成一定的波形,形成弯曲的流道,使流体在其中不断地改变流动的方向,以促进流体的扰动,分离或是破坏流体的边界层,其效果相当于翅片的断裂。波纹越密,波幅愈大,愈能强化传热。波纹翅片在国内应用不是很多。百叶窗翅片属于间断式翅片表面,将翅片表面沿气流方向逐渐断开,以阻止翅片表面空气层流边界层的发展,使边界层在各表面不断的破坏,又在下一个冲条形成新的边界层,不断利用冲条的前缘效应,达到强化换热的目的。在翅片尺寸相同的情况下,栅格越多,传热效果越好,阻力也越大。锯齿翅片可以看成是平直翅片切成许多短小的片段并互相错开一定间隔而形成的间断式翅片,所以也称作错置翅片或是高效能翅片。这种翅片对促进流体的扰动,破坏热阻边界层十分有效。但流体通过锯齿翅片时其流动阻力相应增大。 2 中南大学硕+学位第一章绪论一忙) 图1·1(曲波纹翅片(b)百叶窗翅片(c)锯齿翅片在实际应用中,若采用翅片来强化传热,除了要考虑到翅片强化对流传热机理的不同,还要考虑到流体的流态,即层流或湍流