用于高压燃气/高压纯空气的热管换热器方案研究

作     者：谢镇波 

作者单位：国防科学技术大学 

学位级别：硕士

导师姓名：刘伟强

授予年度：2007年

学科分类：080702[工学-热能工程] 08[工学] 0807[工学-动力工程及工程热物理] 

主      题：热管换热器 高温高压 方案设计 强度分析 平均温差法 有效度—传热单元数法 

摘      要：在超声速风洞冲压发动机地面试验系统中,需要高温高压空气源产生模拟高速飞行的气流。本文进行了采用高温高压燃气发生器作为热源加热高压纯空气的热管换热器方案研究。 针对高压燃气/高压纯空气换热器工况,建立了热管传热的计算模型。利用平均温差法对圆热管、椭圆热管及翅片圆热管的传热特性进行了计算分析,经比较得出结论:椭圆热管较圆热管能够强化管内传热;同流速的条件下椭圆管平均传热系数要高出20%左右,在相同阻力的情况下可提高二次气流流速,具有传热效果好等优点。 提出了适用地面试验系统的换热器总体设计方案。针对空气压力2.5MPa,温度由室温300K提高到1020K的工况,选择了椭圆热管和圆热管的结构参数,用Patran/Nastran结构有限元分析软件对两种热管进行强度计算,修正并确定各热管的结构参数,对热管工作时的结构可靠性进行了分析;利用平均温差法计算了两种热管在不同工况下的平均传热系数,并对两种热管高温高压条件下的传热性能进行了比较,分析了采用椭圆热管作为换热器内传热单元的优势。 根据试验系统需要,针对两套高温高压热管换热器方案进行具体设计工作。应用平均温差法设计计算,选择了换热器各温区所需热管数量、热管长度;通过力学分析,选择了合适的筒壁厚度;根据燃气发生器的工作特点,换热器选择了扩张形头部和尾喷管的结构;用Patran/Nastran有限元软件对换热器内的各部件进行强度校核,修正结构参数,确定了换热器主体结构;采用有效度一传热单元数法对换热器的传热能力进行校核计算,分析了换热器的可行性。综合比较两套换热方案,优选横向流过热管的换热器方案作为地面试验系统气源方案。