流速及传热温差对换热器传热系数的影响

-精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 1 流速及传热温差对换热器传热系数 的影响 摘要：针对换热器热交换不充分 的问题，研究给定结构壳管式换热器热 空气流速以及传热温差对其传热系数的 影响，把不同的传热温差，不同的气体 流速下的实验数据进行分组，采用控制 变量法，分别对以上两个因素的单独进 行分析，做出 kT，kv 的拟合曲线，得 到经验函数。取整个换热器为研究对象， 采用数值模拟的方法，运用多孔介质， k模型，采用二阶迎风模式，压力速度 耦合用 SIMPLE 算法，给出整个换 热器的温度场以及传热系数的分布规律， 最终给出以上两个因素对传热系数的影 响趋势。 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 2 中国论文网 /8/view-12945795.htm 关键词：换热器，传热系数，流 速，传热温差 DOI：1015938/jjhust201702006 中图分类号： TK124 文献标志 码： A 文章编号： 1007- 2683（2017）02-0029-05Influence on Heat Abstract：Aimed to insufficient heat transfer of heat exchanger， research the influence on the heat transfer coefficient impacted by velocity and heat transfer temperature difference of tube heat exchanger. According to the different heat transfer temperature difference and gas velocity， the experimental data were divided into group. Using the control variable method， the above two factors were analyzed separately. K-T and k-v fitting curve were done to obtain empirical function. The entire heat exchanger is as the study object， using numerical -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 3 simulation methods， porous media， k- model， second order upwind mode， and pressure-velocity coupling with SIMPLE algorithm， the entire heat exchanger temperature field and the heat transfer coefficient distribution were given. Finally the trend of the heat transfer coefficient effected by the above two factors was gotten. Keywords ：heat Exchanger； heat transfer coefficient； velocity； heat transfer temperature difference 0 引言 随着人们节能意识的提高，如何 有效及最大限度地利用现有能源，成为 人们关注的焦点。本文针对给定结构的 管壳式换热器，在不同的传热温差以及 不同热空气流速下，分析传热系数的变 化趋势，对实验数据进行归类分析，做 出传热系数与传热温差的分布关系散点 图以及传热系数与热空气流速的散点图， 并进行拟合，分析引起其变化趋势的原 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 4 因，在此基础上进行数值模拟1-3，研 究换热器内部的温度分布4-6，分析传 热温差和热空气流速对换热器传热系数 7-10的影响。 1 模型 11 物理模型及网格划分 该管壳式换热器几何尺寸为 609609916 mm，管道采用错列排布， 管道数量为 1219+1118 根，取整个换 热器为研究对象，换热器的结构图如图 1 所示。管内为冷空气管外为热空气。 热空气从侧面横向冲刷管道，管 内流通冷空气，这种流通方式可理想化 为逆流。将换热器分为 2 个区域，网格 的划分采用六面体网格，管壁采用耦合 的方法简化，计算时采用二阶迎风模式， 压力速度耦合采用 SIMPLE 算法11-12 ， 稳态求解，最终得到整个换热器的湍流 流动与传热耦合计算的网格独立解13- 15。 12 数学模型 在 v=279 m/s 的情况下对其进行 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 5 数值模拟得到传热系数的云图如图 4 所 示： 在平均对数传热温差 T=733 通过数值模拟得到的平均传热系数 k1=3098 w/m2K，而由拟合公式所得的 结果为 k2=2847 w/m2K，实际的传热系 数为 k=2612 w/m2K，误差 k1=1861%，误差 k2=899%；可见拟 合所得的结果是比较合理的。将平均对 数传热温差提高到 100 倍，其余的条件 不变，采用同样的边界条件，进行数值 模拟，得到传热系数的云图如图 5 所示。 数值模拟得到的平均传热系数为 k1=3425 w/m2K 传热系数增加 71%，可 见传热温差超出一定范围后，传热温差 的改变对传热系数的影响是成衰减趋势 的，仅仅通过提高传热温差是不能很明 显的增加传热系数，且高温下传热对材 料的要求也极高。 4 热空气流速对传热系数的影响 分析 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 6 在分析热空气流速对传热系数的 影响时，首先选定平均对数传热温差 T在 611到 778之间，冷空气温升 在 222左右，对所给数据进行整理取 样分析，运用幂函数对其拟合，得到拟 合结果如图 6 所示，其中方差 Re=1397，拟合度 Rs=084，拟合曲线较 好12，得到的拟合函数为： k=11681-12675e-014v（9） 对式（9）求导，得到 d（k） /d（v）=1775e-014v0，可见伴随 v 的 升高，传热系数 k 是不断升高的，又 d2（k）/d（v2）=-249e-014Q0，故而 随着 v 的升高，k 增大的趋势越来越小。 取传热温差 T=796，冷空气温升 t=366，v=279 m/s 的情况下对传热 器进行数值模拟，得到的传热系数云图 如图 7 所示。通过数值模拟得到的平均 传热系数为 k1=4245 w/m2K，通过拟合 公式计算所得到的传热系数 k2=4777 w/m2K，实际的传热系数 k=4887 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 7 w/m2K，误差 k1=1512%，误差 k2=23%，可见拟合结果是比较合理的。 将热空气的流速提高到原来的 13 倍，其余的条件不变，采用同样的边 界条件，进行数值模拟，得到传热系数 的云图如图 8 所示： 改变热空气的流速，在 v=530 m/s 时，进行数值模拟，得到的平均传 热系数为 k1=4945 w/m2K，传热系数提 高了 352%，可见提高热流体的流速可 以提高传热系数但是其影响程度是成衰 减趋势的，而且在高流速的情况对换热 器的磨损也比较严重。 热空气流速对传热系数影响程度 强于传热温差对传热系数的影响。首先 对比两个拟合公式的二阶导数，显然 kvkT，在比较图 5 和图 3 在换热温 差增加 100 倍时，传热系数只增加 71%，而仅仅热空气的流速增加 13 倍， 传热系数就增加 352%，可见与传热温 差比起来，热空气体的流速的改变对提 高传热系数的效果要强于传热温差对其 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 8 的影响，但是同时，由于流速的增加会 导致阻力的增加，从而对换热器的损耗 以及对风机功率的要求将会提高。 5 结论 1）在一定范围内，提高传热温 差可以提高传热系数，但随着传热温差 的不断增加，增加传热温差对提高换热 器传热系数的影响程度越来越小。 2）在一定范围内，提高热空气 侧的流速是可以提高传热系数的，但是 随着热空气侧的流速不断增加，传热系 数增加的趋势不断减弱。 3）只从理论上分析，热空气流 速的大小与传热温差的大小对传热系数 的影响程度相比而言，前者的影响程度 要大于后者。 4）在对换热器的传热系数进行 研究时，通过实验得到的数据来分析传 热系数时，是可以采用曲线拟合和数值 模拟综合的方法进行分析的。 参 考 文 献： 1LIU，Qing -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 9 Jiang；HAN ，FangStudy on the Effect of the Evaporator Area on the Heat Transfer Performance in the Gravity Feed Liquid Refrigeration SystemJ Machinery Electronics and Control Engineering III， 2014，441 （9）：112-115 2KIM S J，KIM D，LEE D Y On the Local Thermal Equilibrium in Microchannel Heat SinksJ.International Journal of Heat and Mass Transfer，2000，43（8）：1735-1748 3KANARIS A G，MOUZA A A，PARAS S V Optimal Design of a Plate Heat Exchanger with Undulated SurfacesJ.International Journal of Thermal Science，2009，48（6）： 1184-1195 4涂福炳，武 C 芬 径向热管 换热器壳程数值模拟及结构参数优化J. 中南大学学报（自然科学版） ， 2012，43（05）：1975-1983 5付磊，唐克伦 管壳式换热器 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 10 流体流动与耦合传热的数值模拟J. 化 工进展，2012，31（11）：2384-2389 6BHUTTA Aslam M M，HAYAT N，BASHIR M H，et al.CFD Application in Various Heat Exchanger Design：a Review J.Applied Thermal Engineering，2012 （32）：1- 12. 7ZHANG L，CHE D FInfluence of Corrugation Profile on the Thermal Hydraulic Performanceof Crosscorrugated PlatesJ.Numerical Heat Transfer，Part A，2011，59（4）： 267-296. 8高小龙，刘玉洪 流体流速对 钛板板式换热器总换热系数的影响J. 煤气与热力，2014，34（10）：13-15 9王雪山，张健 折流板换热器 壳程流体流动与传热特性数值模拟J. 机械研究与应用，2012（6）：8-11 10朱冬生，毛玮 多孔介质模型 在板翅式换热器数值模拟中的应用J. 流体机械，2012，40（4）：63-67 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 11 11路义萍，汤璐 隐极同步电动 机冷却空气流场特性研究J. 中国电机 工程学报，2013，33（15）：86-91+12 12路义萍，洪光宇 多风路大型 空冷汽轮发电机三维流场计算J. 中国 电机工程学报，2013，33（3）：133- 139+6 13张晶，文珏 基于计算流体力 学数值模拟的板式换热器传热与流动分 析及波纹参数优化J. 机械工程学学报， 2015，51（12）：137-145 14王芳，郭瑞倩 空冷发电机定 子三维温度场分布与试验对比J. 电机 与控制学报，2013，17（12）：46-50 15王芳，董惠 大型汽轮发电机 定子变结构对温度场的影响J. 哈尔滨 理工大学学报，2013，18（06）：95- 99 16付磊，曾 D 林 管壳式换热 器壳程流体流动与传热数值模拟J. 压 力容器，2012，29（5）：36-41 17刘洋，李宏 关于 weierstra