泡沫金属与针翅结构中对流换热研究

论文摘要

在空调领域,换热器的强化传热非常重要。蒸发器和冷凝器中传热和流动性能会影响到空调的耗能和噪音等,而强化气体侧的传热效果是提高换热器性能的关键之一。本文利用电加热和空气—水换热器两套实验系统研究了空气在泡沫金属和针翅结构中的流动和换热能力,并对几种针翅结构中的对流换热特性进行了数值模拟。空气—水换热器实验中,泡沫金属或针翅结构与多通道铝制扁管组合成紧凑式换热器,水在多通道扁管中流动,空气在泡沫金属或针翅结构中流动。实验段的空气入口雷诺数为960～3100,研究了空气在九种翅结构或泡沫金属中的流动和换热性能。电加热实验中采用电加热提供恒热流的边界条件,空气流过泡沫金属或针翅结构的通道,入口雷诺数为2220～6410,实验研究了四种针翅或泡沫金属结构中的对流换热。实验结果表明,泡沫金属的换热和流动阻力均随孔密度(PPI)的增大而增大;低雷诺数下,30PPI的泡沫铜的换热系数最大,其结构增强了气流的扰动,达到强化换热的效果,但同时压力损失较大;无论是在高雷诺数还是低雷诺数下,平直翅片具有较好的综合换热性能;有效传热面积对于强化换热有着重要作用;对于加密的方形针翅结构,虽然表面积提高了,但其传热系数却未有提高。本文对正方形顺排针翅和平直翅片进行了三维的数值模拟,数值模拟的结果与实验符合较好。对正方形顺排针翅的平均换热系数模拟结果与实验相差在±10%以内,对平直翅片的模拟结果与实验相差在±20%以内。本文利用二维建模分析了低雷诺数下针翅形状尺寸对传热和流动的影响,发现针翅间距和开缝角度对传热均有影响。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 引言
• 1.1 背景
• 1.2 典型空调翅片
• 1.3 多孔介质强化换热
• 1.4 针翅
• 1.5 泡沫金属
• 1.5.1 泡沫金属基本特征与制造工艺
• 1.5.2 泡沫金属结构的生产和制备
• 1.5.3 泡沫金属结构中流动与换热的研究
• 1.6 本文研究内容
• 第2章 实验系统
• 2.1 实验系统介绍
• 2.2 电加热实验部分
• 2.2.1 流道和加热系统
• 2.2.2 实验段
• 2.2.3 测量系统
• 2.3 空气—水换热器部分
• 2.3.1 系统设计
• 2.3.2 流道设计
• 2.3.3 换热器设计
• 2.3.4 空气加热器、蒸汽发生器与混流器
• 2.3.5 加热和仪表电源
• 2.3.6 水循环回路
• 2.3.7 测量系统
• 2.4 实验准备和实验操作
• 2.4.1 实验准备
• 2.4.2 实验步骤
• 第3章 数据处理及误差分析
• 3.1 电加热系统实验数据处理
• 3.2 电加热系统实验误差分析
• 3.2.1 热量的测量误差
• 3.2.2 温度的测量误差
• 3.2.3 流量的测量误差
• 3.2.4 对流换热系数的误差
• 3.2.5 压差的测量误差
• 3.3 空气—水换热器实验数据处理
• 3.3.1 数据处理方法1
• 3.3.2 数据处理方法2
• 3.3.3 两种方法的比较
• 3.4 空气—水换热器实验误差分析
• 3.4.1 温度测量误差
• 3.4.2 流量测量误差
• 3.4.3 热量测量误差
• 3.4.4 对流换热系数误差
• 3.4.5 压差测量误差
• 第4章 实验结果与分析
• 4.1 电加热实验
• 4.1.1 流动阻力
• 4.1.2 换热能力
• 4.1.3 局部对流换热系数
• 4.1.4 综合换热能力
• 4.2 空气—水换热器实验
• 4.2.1 干空气的流动换热特性
• 4.2.2 对流换热系数比较
• 4.2.3 流动压降比较
• 4.2.4 综合换热能力的比较
• 4.2.5 湿空气的流动阻力对比
• 4.2.6 传热面积影响分析
• 4.3 小结
• 第5章 针翅结构的数值模拟
• 5.1 模型建立与网格划分
• 5.2 控制方程与求解方法
• 5.3 模拟结果
• 5.3.1 平均Nu 数
• 5.3.2 局部对流换热系数
• 5.3.3 速度分布
• 5.4 关于同形状变尺寸的讨论
• 第6章 针翅截面形状的优化
• 6.1 模型建立
• 6.2 数据处理与计算结果
• 6.2.1 面积平均换热系数与压降
• 6.2.2 横掠面积平均换热系数
• 6.2.3 综合换热性能
• 6.3 流场特征
• 6.3.1 空隙宽Ld 不同
• 6.3.2 开缝角度La 不同
• 第7章 结论与展望
• 参考文献
• 致谢
• 附录 A 镍铬蛇形加热片加工图
• 附录 B 空气—水换热器实验段图纸
• 附录 C 部分实验数据
• 个人简历、在学期间发表的学术论文与研究成果