矩形翅片椭圆管换热器换热性能的数值研究

作     者：崔延军 

作者单位：东华大学 

学位级别：硕士

导师姓名：顾平道

授予年度：2012年

学科分类：080706[工学-化工过程机械] 08[工学] 0807[工学-动力工程及工程热物理] 

主      题：矩形翅片 错排翅片椭圆管束 错列翅片椭圆管束 数值分析 结构优化 

摘      要：热交换器作为热量传递中的过程设备,在工业领域中应用极为广泛。伴随着各种能源日益紧缺的局面,热交换器的合理设计、运转和改进对于节省资金、材料、能源和空间而言是十分重要的。翅片管换热器作为一种紧凑式换热器,在动力、化工、制冷等工业领域中有广泛的应用,并有很高的换热效率,通常情况下,其基管为圆管,经研究发现,椭圆管具有更小的阻力损失,因此对于矩形翅片椭圆管的研究将对其在工程中的实用效果有更好的指导意义。 本文首先采用数值模拟方法对翅片椭圆管的翅片结构进行数值分析及结构优化,通过正交试验组合数据,得出翅片结构的最佳组合为：翅片长度55mm,翅片宽度32mm,翅片厚度0.3mm。 通过采用数值分析方法,从管排横向间距、纵向间距、翅片间距、空气流速、空气温度、材料方面对4排错排翅片椭圆管束进行结构优化分析,得出：横向管排间距、纵向管排间距增大,综合评价因子提高,并且变化幅度与进口空气流速有很大关系;翅片间距增大,综合评价因子提高,但是当翅片间距增大到一定值时,其增大幅度减小。 通过采用数值分析方法,从管排横向间距、纵向间距、翅片间距、空气流速、空气温度、材料方面对4排错列翅片椭圆管束进行结构优化分析,得出：当纵向管排间距小于16mm时,Nu/Eu增长幅度较小,且当流速达到7.57m/s时,出现性能下降情况;当纵向管排间距大于16mm时,Nu/Eu逐渐增大。随着横向管排间距的增大,Nu/Eu呈线性递增趋势,当间距达到78mm时,趋于平缓,说明继续增大横向间距对换热性能基本没有影响;当横向管排间距位于66mm-78mm时,Eu较为稳定,Nu/Eu呈增长趋势,所以最优结构尺寸应当为横向间距78mm。随着翅片间距的增大,换热性能减弱,当翅片间距增大到一定值时,翅片间距对换热性能的影响变小。 入口空气流速的增大可以增强换热,但是阻力增大幅度相对更大;进口空气温度的升高使得换热效果变差,阻力增大;材料的导热系数越好,换热效果越好;入口空气流速一定时,随着管排数的增加,每排管的换热系数是逐渐减小的,随着进口空气流速的增大,整个温度场比较均匀,整体换热效果增强。 通过采用数值分析方法,对相同体积下两种换热结构的模型的热力性能比较,得出错列翅片椭圆管束的力能系数较大,最大值约高于错排翅片椭圆管束38%左右,并且错列翅片椭圆管束能以较少的金属材料获得较好的换热效果。