微型矩块式错流换热器的传热性能与形状因子研究

作     者：王俊杰 

作者单位：东华大学 

学位级别：硕士

导师姓名：周亚素

授予年度：2022年

学科分类：08[工学] 081404[工学-供热、供燃气、通风及空调工程] 0814[工学-土木工程] 

主      题：矩块式换热器 结构参数 固体导热 传热性能数值模拟 形状因子 

摘      要：微型矩块式换热器具有单位传热面积大、传热效率高等特点,可应用于汽车、船舶、航天等多个工业领域。微型矩块式换热器中,固体间壁厚度与流体通道的水力学直径处于同一量级,固体内的导热作用会对换热器的性能有较大的影响,结构参数是影响换热器固体导热作用的主要因素。本文采用形状因子与数值模拟相结合的方法,来探究结构参数对固体导热以及换热器传热性能的影响,并且使用非线性多元回归分析得到形状因子与结构参数的关联式,进而推导固体导热热阻的关联式,得到一个快速计算微型矩块式错流换热器导热热阻的拟合公式。首先对微型矩块式错流换热器的传热过程分析,得到传热量的计算过程与各参数的关系,推导得出形状因子的计算方法与影响的结构参数。然后通过改变不同的结构参数包括冷流体同排管心距、热流体同排管心距、上下管间距以及管径的数值模拟计算,以总换热系数、传热效率、热流密度矢量及平均努塞尔数作为评价指标,分析上述结构参数对固体导热以及换热器传热性能的影响。再拟合得到不同结构参数下的形状因子值,通过非线性多元回归分析拟合出对应的形状因子关联式,进一步推出导热热阻关联式,并进行准确性验证。论文获得的主要结论如下:(1)结构参数对于矩块式换热器固体导热及传热性能的影响:(1)冷、热流体同排管心距对于换热器导热及传热性能的影响基本一致,因此对称设计并作为同一个影响因素分析。而同排管心距的增加,使得换热器进出口热流密度矢量的分布更加均匀,并且流体各自管道与管道之间温度梯度分布均匀,减少了管道之间轴向导热的影响;而对于对流换热的强弱没有影响,冷、热侧平均努塞尔数基本维持不变;总的增大了总换热系数,传热效率也随之变大。因此在小雷诺数的边界条件下,设计矩块错流式换热器应该尽可能的增加冷、热流体同排管心距,并且上下管道之间的布置排列要均匀。(2)当上下管间距从2.6mm增加到3.6mm时,总换热系数变化不大,传热效率也稳定在0.41左右;当不考虑尺寸范围,上下管间距从3mm增加到8mm时,冷、热流体管道之间的热流矢量逐渐变少,各自管道与管道之间的热流密度矢量变得密集,说明冷、热管道之间的换热被减弱,轴向导热得到加强。而平均努塞尔数逐渐降低,且在上下管间距超过6mm之后降低幅度增大;对流换热效果减弱。两者共同导致了总换热系数的减小,且传热效率也逐渐减小。因此在矩块错流换热器的设计中,在保证固体承压以及支撑强度足够的前提下,应该尽量减少上下管间距来增加总换热系数。(3)管径的增大加强了冷、热管道之间的传热,减弱了轴向导热的影响,平均努塞尔数也随之增大,加强了对流换热。传热效果增强,而传热效率随之变低。因此在小雷诺数的操作条件下,同排管心距的合理范围之内,对于微型矩块式错流换热器的设计,尽量选择大管径可以加强传热效果。(2)矩块式换热器传热形状因子的拟合:(1)随着同排管心距的改变,形状因子的数值曲线变化符合幂函数曲线形式,同排管心距越大,形状因子的数值随之变大的趋势越慢。(2)随着上下管间距的改变,形状因子的数值逐渐降低但是幅度很小,基本没有影响。(3)随着管径的改变,形状因子的数值曲线变化也符合幂函数的曲线形式。管径逐渐增大,形状因子的数值随之变大的趋势也变慢。(4)形状因子与结构参数的关联式有1个因变量,3个自变量,且因变量与自变量之间非线性关系,采用非线性多元回归分析,使用幂方程形式进行拟合,最终得到形状因子与结构参数的关联式,推导出导热热阻关联式,并进行准确性验证,最大误差在15%以内,符合工程应用的要求。