圆孔翅片管式制冷换热器的节能性能研究

论文摘要

随着能源的日渐紧缺,节能措施变得越来越重要。我国换热设备能源利用率较低,有着很大的节能空间,特别是在翅片管式换热器领域,气体侧的强化换热有着广阔的发展前景。干工况下,理论研究与实验结果都表明:在翅片表面穿孔是一种很好的强化传热措施,具有较好的节能效果。在最窄通道截面风速Umax=1～8m/s的范围内,大直径圆孔翅片最优片型的当量换热系数h比平翅片增加了22.6%～30.4%,压降△P最大增幅不超过8%。在风速u=0.5m/s下结霜工况的实验研究结果表明:与平翅片相比圆孔翅片有效制冷量高出6.02%,表面对流换热系数高出18.84%,霜层形成过程中,传热系数比平翅片平均高出11.53%;圆孔翅片管式换热器的实际制冷换热系数比平翅片高出6.83%,节能6.39%。圆孔翅片在干工况下强化传热研究只局限于实验,理论分析的深入程度不够。本文利用FLUENT软件的对平翅片、对称圆孔翅片和三对称圆孔翅片管式换热器空气侧的流动和换热进行了数值模拟,分析了不同风速下的速度场、温度场和努谢尔特数分布。模拟结果与已有实验结果吻合较好,平均误差小于10%。模拟结果证实:同等条件下,三对称圆孔翅片平均换热系数比平翅片平均高出25.7%,是其中的最优片型。前期结霜工况下的实验研究是在一个冰箱中进行的,只有单风速的情况,实验结果不能全面反应圆孔翅片的强化传热性能。本文利用一个标准的风洞实验台,分别对平翅片、对称圆孔翅片和三对称圆孔翅片管式换热器进行了结霜工况下的换热和制冷性能对比性实验。比较分析了三种翅片管式换热器在实验条件下的有效制冷量、平均换热系数和阻力的大小;比较分析了强化翅片的节能效果。结果表明:实验条件下,三对称圆孔翅片的强化传热效果最好。①与平翅片相比较,三对称圆孔翅片的强化传热效果最显著,制冷量最大提高16.87%,平均提高9.1%。②平均当量换热系数与矩形平翅片相比,最大提高了80.15%,最小提高了49.66%,平均提高了64.29%。③COP值最大提高30.16%,最小提高14.95%,平均提高22.93%。文章最后利用对称圆孔翅片做成的三排变间距蒸发器和非变间距蒸发器进行对比性实验,实验结果表明:①变间距翅片管式蒸发器前三个风速下当量换热系数平均比非变间距翅片管式蒸发器提高12.57%,最大提高18.26%,最小提高9.4%。②在满足制冷量的前提下,变间距翅片管式换热器节省材料21.43%,有显著的节能前景。

论文目录

• 中文摘要
• 英文摘要
• 1 绪论
• 2 强化传热理论概述
• 2.1 强化传热技术产生的背景、目的和意义
• 2.1.1 强化传热技术产生的时代背景
• 2.1.2 强化传热的社会需求
• 2.1.3 强化传热技术的目的和意义
• 2.2 强化传热的途径和分类
• 2.2.1 强化传热的基本途径
• 2.2.2 强化传热技术的分类
• 2.3 强化传热技术的发展
• 2.3.1 改变流体的流动状况
• 2.3.2 改变流体的物性
• 2.3.3 改变换热面的表面状况
• 2.4 强化传热技术发展趋势
• 3 翅片管中强化传热技术的应用及研究动态
• 3.1 强化传热技术在翅片管式换热器中的应用
• 3.1.1 翅片管式换热器的研究意义
• 3.1.2 翅式换热器中翅片类型
• 3.2 国内外研究状况
• 3.2.1 干工况下研究工作进展
• 3.2.2 湿工况下的研究进展
• 3.2.3 结霜工况下的研究进展
• 3.3 存在的问题与本课题的研究重点
• 4 矩形平翅片空气侧的传热与流动数值模拟
• 4.1 数学模型
• 4.1.1 计算区域
• 4.1.2 控制方程
• 4.1.3 边界条件的确定
• 4.2 计算过程
• 4.2.1 前处理方法
• 4.2.2 FLUENT 计算过程
• 4.3 模拟结果分析
• 4.3.1 速度为1m/s 数值模拟计算结果
• 4.3.2 速度为4m/s 数值模拟计算结果
• 4.4 计算结果与实验结果的比较
• 4.5 本章小结
• 5 对称圆孔翅片侧的传热与流动数值模拟
• 5.1 计算区域与过程
• 5.1.1 计算区域
• 5.1.2 边界条件
• 5.1.3 网格的划分
• 5.1.4 计算模型与算法
• 5.2 计算结果的分析
• 5.2.1 速度u=1m/s 时计算结果分析
• 5.2.2 速度u=4m/s 时计算结果分析
• 5.3 计算结果与实验结果的比较
• 5.4 本章小结
• 6 三对称圆孔翅片侧的传热与流动数值模拟
• 6.1 计算区域与过程
• 6.1.1 计算区域
• 6.1.2 边界条件
• 6.2 计算结果的分析
• 6.2.1 速度u=1m/s 时计算结果分析
• 6.2.2 速度u=4m/s 时计算结果分析
• 6.3 不同翅片模拟结果的比较
• 6.4 本章小结
• 7 实验台搭建与样机设计
• 7.1 实验台搭建
• 7.1.1 实验台系统
• 7.1.2 实验方法
• 7.1.3 测量仪器的选择
• 7.2 试件设计
• 7.2.1 试件设计原理
• 7.2.2 翅片类型
• 7.2.3 对比性试验样件
• 7.2.4 变间距试验样件
• 7.3 本章小结
• 8 结霜工况下翅片管式换热器的节能性能研究
• 8.1 实验数据处理方法
• 8.1.1 实际制冷量
• 8.1.2 当量对流换热系数
• 8.1.3 蒸发器的阻力
• 8.1.4 制冷系统的COP 值
• 8.2 不同片型的对比性实验
• 8.2.1 蒸发器换热量比较
• 8.2.2 换热器平均当量对流换热系数
• 8.2.3 蒸发器阻力随时间的变化
• 8.2.4 COP 值比较
• 8.2.5 翅片表面霜层的变化
• 8.3 变间距实验
• 8.3.1 平均当量换热系数
• 8.3.2 蒸发器阻力
• 8.3.3 制冷量比较
• 8.3.4 节省材料比较
• 8.4 本章小结
• 9 强化传热技术效应评价
• 9.1 强化传热技术效应评价准则
• 9.1.1 第一种工作效应对比评价
• 9.1.2 第二种工作效应对比评价
• 9.1.3 第三种工作效应对比评价
• 9.2 高效翅片换热器的效应评价
• 9.2.1 换热量的评价
• 9.2.2 阻力的评价
• 9.3 本章小结
• 10 结论与展望
• 10.1 结论
• 10.1.1 数值模拟
• 10.1.2 结霜工况下的对比性实验
• 10.1.3 变间距实验
• 10.2 展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录