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1、翅片管换热器传热特性的数值模拟研究文献综述姓名:姜晴 班级：热动1班 学号：20 1 20390 11 5引言能源是人类社会生存和发展的重要保障近年来;我国工业化和城镇化步伐 加快，能源需求量进一步增加。据有关专家预测，若以2000 年我国能源消费数 据为基点，到2010和20 2 0年，我国能源消费总量增长幅度将分别达到38%和 89%, 2010年能源消费总量将增长到22。4亿吨标准煤，而2020年则为25. 5 亿吨一 3 0亿吨标准煤1.由此可见，在未来几十年里，随着我国经济的飞速发 展和人口的不断增长,能源供给相对不足的矛盾将日益突出 ,能源供给问题将成 为制约我国经济社会发展的重要
2、因素。为确保我国经济平稳、协调和可持续发展，寻找新能源或可再生资源，以及 合理地利用现有资源将是关键所在。对于合理利用现有资源，我国政府提出在“十 一五”期间，各级政府和企业要把“节能减排”工作放在重要地位。我国目前的 能源利用效率仅为36%左右，远低于发达国家50%的能源利用率水平2。而 我国 能源利用率低下的一个重要因素，是大量工业余热没有得到充分利用。有统计数 据表明，我国钢铁、有色、化工、建材、石化、轻纺、机械等几大能耗大户，余 热利用率仅为 4%一 5 % ，工业炉窑热效率低于7 0 % 3 .不同温度水平的余热其利用价值也不同，一般可将余热资源分为高温余热、 中温余热和低温余热。由
3、于不同物质形态的余热，可利用程度不同，所以温度划 分也有差别.对于固态余热,50OC以下的为中、低温；气态余热200C以下的算 中、低温;对于液体余热80C以下可视为中、低温4.从现代热物理学的观点来 看，同样多的热量，在不同的温度下可供利用的价值不同。余热源的温度越低，能 量的品位就愈低。而据统计，在工业生产中，人们所利用的热能中平均有 50%最 终以低品位余热的形式直接排放5。这部分未经利用的余热直接排放到环境中， 不但造成了巨大的能源浪费，也给环境带来了严重的热污染。据初步测算，能源利 用效率每提高1个百分点，即可节省能源费用130多亿元6。总的说来，我国能源利用效率低，节能潜力巨大。随
4、着化石燃料的日益枯竭 和环境问题的日渐严峻，中低温余热的回收利用技术将成为节能领域研究的重要 课题。一、强化传热技术发展现状强化传热技术 ,一般是指通过对影响传热的各因素的分析和计算 ,采用某些 技术措施以提高换热设备的换热能力，或者在满足原有传热量条件下,使换热设 备尺寸减小,并减少换热器的阻力和动力消耗 ,从而更好的满足现代化生产的需 要。作为热工过程的通用设备之一，换热设备广泛地应用于动力、冶金、石化及 制冷等行业。近年来，由于全球面临着能源短缺的威胁,因而在换热设备设计制 造领域纷纷引入了强化传热技术。1、强化传热的途径和分类要使换热器中传热过程强化,要提高换热器在单位面积、单位时间内
5、的换热 量，可以通过三种途径来实现,即:增大平均传热温差、增加换热面积和提高传热 系数.（1）增大平均传热温差.增大平均传热温差的方法有两种：一种是当冷热流 体进出口温度一定时,可以通过流程的布置来增大平均温差，同样的进出口温度 下,逆流布置的温差比顺流布置大，因而换热器布置尽量采用逆流或接近逆流的 布置形式;另外一种方法是提高热流体温度或降低冷流体温度。（2）增加换热面积增加传热面积是研究得最多的一种强化传热方法，也是 一种很有效的强化换热途径。它主要通过对对流换热面结构的改进来增大单位体 积的传热面积，从而使得换热器更加紧凑采用扩大换热面后，不仅能够增加换热 面积，降低对流换热热阻，而且如
6、果结构选择合适，还能提高换热器的传热系数。 增加换热面积有多种形式，如采用翅化表面的翅片管、螺纹管、板翅式换热面等; 采用异型表面，包括各种凹凸形、波纹形、扁平形传热面以及截面形状和大小变 化的流道，这不仅使传热面积有所增加，还使流动状态改变，增大扰动度，减小边 界层厚度，从而强化传热;采用小直径的管子，有两方面的好处，首先，管径减小可 以在相同体积内布置更多的传热面，使换热器更紧凑，其次，管径减小后，管内紊 流度增大，可使层流底层变薄，换热系数加大;采用多孔表面，用金属微粒或丝网 烧结，涂敷于传热面上，或用化学、机加工等方法形成多孔表面，不仅增加了传 热面积，而且会改善换热状况，对于强化沸腾
7、和凝结过程特别有效。（3）提高传热系数。增大换热面积和平均传热温差在工程实际中往往受到 多方面条件的限制，因此，在换热面积和平均传热温差给定时，提高传热系数成为 了唯一的强化传热途径所以，当今提高换热器的传热系数以增强传热已经成为 研究的重点。提高传热系数，有以下途径:提高传热面两侧的换热系数;选用导热 性能良好的材料作传热间壁，并尽可能减薄间壁厚;避免或减小污垢热阻。理论计 算表明:当传热过程各环节的分热阻数量级接近时，应同时减小各分项热阻;当传 热过程各环节分热阻数量级较悬殊时，应设法减小最大分热阻7。此外，强化传热技术还可以从其他角度进行分类。从强化传热过程来分，可 分为导热过程的强化、
8、单相对流换热过程的强化、沸腾传热过程的强化、凝结传 热过程的强化和辐射传热过程的强化；从提高强化传热系数的各种强化传热技术 来分,则可以分为有功强化传热技术（亦称主动强化传热技术或有源强化传热技 术）和无功强化传热技术（亦称被动强化技术或无源强化技术）两类。有功强化传 热技术需要应用外部能量来达到强化传热的目的，包括机械强化法、振动强化法、 静电场法和抽压法等；无功强化传热技术不需要运用外部能量即能达到强化传热 的目的,包括表面特殊处理法、粗糙表面法、扩展表面法、装设强化元件法、加 入扰动流体法（添加剂法）等8。二、翅片管式换热器研究进展 在换热器两侧流体的换热系数相差较大时，在换热系数较小的
9、流体一侧加 上翅片,可增大换热表面积并促进流体的扰动减小传热热阻 ,有效地增大传热系 数，从而增加传热量,翅片管换热器就是基于这种考虑而产生的.翅片管式换热器 是人们在改进管式换热器的过程中最早也是最成功的发现之一，直至目前,这种 方法仍是所有各种管式换热器强化传热方法中应用最为广泛的一种,因此对翅片 管换热器流动传热性能的研究也成为国内外众多学者所关注的热点。1、国内研究进展1994 年，李安桂、吴业正9撰文,主要讨论了具有对流、辐射及导热同时存 在的矩形直翅片换热问题的解析解法。文中给出了一种能够求解对流、辐射及导 热同时存在时翅换热的线性化解析方法。利用该方法得到:综合换热作用下矩形 直
10、翅中温度分布的公式、翅体散热量计算式和综合换热作用下翅效率表达式。同年,康海军等10采用实验方法研究了 3种翅片间距和 3 种管排方式的 9 个平直翅片管换热器的换热和阻力性能.研究表明,翅片间距对换热的影响与 R e数有关，并且随翅片间距的增加,翅片管束的阻力减小，而管排数对阻力系数没 有明显影响。在实验R。数范围内，相同翅片间距下,二排管的换热性能比三排管 好一些，三排管与四排管的换热性能无明显变化。文献11中,作者通过风洞试验研究了不同进风角度对钢制椭圆翅片管散热 器传热及阻力特性的影响，结果表明，进风角的增加对传热系数的影响不显著, 而且随着风速的提高，进风角度对传热系数的影响越来越小
11、;但进风角度对气流 阻力的影响很大，在风速相同的条件下进风角度越大，气流阻力越大；在进风角 度相同的条件下,迎面风速越大，气流阻力越大。浙江大学冯踏青等对针刺型三维螺旋翅片管建立了管外换热微分方程,得到 了该管外侧翅片的一些结构参数的优化值,并通过管外强迫对流换热试验，归纳 出一定排列方式下的换热和流阻的试验关联式 ,经与圆翅片管比较,结果表明该 新型换热管为一种高效的换热管件12.屠珊等13采用稳态的恒壁温法对 3 个椭圆翅片管空冷器和 1 个圆翅片管 空冷器的传热和阻力特性进行了实验研究，得出了椭圆翅片管换热器比圆翅片管 换热器的换热性能要好,且流动阻力也要比圆翅片管换热器要小。在文献14
12、中，作者以试验为基础,对螺旋翅片管管束的传热和阻力特性进 行了研究，得出了换热特性和阻力特性的无量纲的准则关系式,并对横向节距、 纵向节距对换热和阻力的影响作了分析,研究结果表明，随着翅片管横、纵向节 距的增大,换热系数减小，其中横向节距的影响远大于纵向节距的影响,起绝对 主导作用。同时，随着横、纵向节距的减小,流阻减小,但纵向节距对流阻的影 响不如横向节距。文献15中,研究人员对翅片管式换热器结构进行了优化设计和改进，并采 用TESCOR平台一换热器性能实验台对改进前后的换热器的热力性能进行了测 试。提出了强化翅片管式换热器换热性能的两种方法：一种是将低温工况下易结 霜的换热器（蒸发器）翅片
13、管设计成变间距翅片结构，使其既增加了管内翅片的传 热面积,又提高了管内气流的流速；另一种是将空调工况下的换热器的等螺距内 螺纹管设计成变螺距内螺纹管，以增加管内气流的扰动,提高传热系数.在文献16和17中，研究人员分别对强化换热情况下螺旋翅片管束和圆 形翅片管束的换热与阻力特性进行了实验研究，并拟合得到了传热系数和阻力系 数的关联式。综上所述，近年来国内外学者对翅片管式换热器流动与传热性能开展了大量 的研究工作，其中实验研究占据了很大份额。在实验研究中，各研究人员关注点多 集中于换热器自身的结构参数对其流动与传热性能的影响，而对换热器冷、热流 体的进口参数变化所带来的影响研究不多，同时实验研究
14、中采用的工质也多为水. 本文将在现有研究成果的基础上，考察采用低沸点有机工质的翅片管换热器的换 热性能，并重点研究管外侧烟气与管内侧工质的入口参数（包括温度和速度）变化 对翅片管换热器性能的影响.三、数值模拟方法在翅片管式换热器研究中的应用在翅片管换热器中，管内流体与管外流体之间的热交换过程相互藕合，因此， 翅片管换热器流体流动与换热相当复杂。对这样复杂的流动与换热过程用实验测 定，存在周期长设备复杂、价格昂贵以及测量准确度较差等缺点。随着计算机 技术的飞速发展，国内外学者纷纷加入了从事换热器模拟工作的队伍。 1、数值模拟方法的优势数值模拟与实验方法相比，有以下几方面的优点：（1 ）模拟能力强
15、。计算机模拟技术既能模拟真实条件，又能模拟某些理想化 的假定，拓宽了实验研究的范围，便于分析研究各种情况下的换热器的运行特性， 并减少实验的工作量。(2) 数据完整。数值计算可以得出换热器内部的流场、温度场及压力、传热 系数等参数的分布,由此可详细分析换热器内管束结构等的布置的合理性。(3) 经济性好。数值计算的费用远低于实验研究的费用。(4) 周期短。数值计算所用的时间远少于实验方法需要的时间,并且数值计 算还可以从各种参数的大量匹配组合中选择多种方案进行比较,选择最佳匹配参 数,这是实验研究所无法比拟的。2、国外研究现状Bensaf i建立了应用纯制冷剂或者混合制冷剂的平翅片管换热器详细设
16、 计计算机模型。在建模过程中，他把整体系统离散化为一个个换热管小单元，在 这 些单元上应用当地温度、压力、物性参数等来建立控制方程,这些微元控制方程 的积分就是整个系统的模型。senolBakaya对水平翅片组中翅片间距、翅高、翅长以及翅片与周围环 境的温差对自然对流的影响进行了系统性的理论研究。通过基于CFD的有限容 积法对三维的椭圆型控制方程进行数值求解。结果发现每个变量都对换热产生了 不同的影响,只关注一个或几个参数不可能获得总传热性能的最优值 ,必须考虑 所有参数之间的交互作用计算结果与最优值用图表和关联式的形式给出,并与 以往文献中的实验数据进行了对比。结果表明，在高Ra数下吻合较好，但Ra数 较低时有一定的偏差。Ricar d o对板间的流体流动进行了三维模拟，他借助可视化实验技术，揭示 了翅片间距对传热和流阻的影响。该文的数值模拟结果表明
