翅片管换热器的结构优化.pdf

第 ? 卷?第 ? 期 ? 年? 月 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 数值模拟 翅片管换热器的结构优化 杨文静? 王?赫? 丛培武? 周新宇? 徐跃明 ?北京机电研究所? 北京? 摘要?基于传热学基本原理以及翅片管换热器的基本理论?通过改变翅片管换热器的翅片管横纵间距?翅片间距?翅片厚度?高度等 结构参数?对现有的换热器结构进行优化? 采用正交试验数值模拟与工程试验相结合的方法?系统分析翅片管换热器自身结构以 及排布方式对换热效果的影响? 结果表明?数值模拟与工程试验结果相吻合?采用最侍结构后?换热器出水口温度从以往的 ? ? ? 升高到 ? ? ?说明其单位时间内交换出更多热量?其换热效率得到了提高? 关键词?数值模拟?正交试验?翅片管换热器?结构优化 中图分类号? ? ?文献标志码? ?文章编号? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 收稿日期? ? ? 基金项目?北京市科学技术委员会重大科技成果转化落地培育专项 ? ? 作者简介?杨文静?女?硕士研究生?主要进行真空炉换热器的 研究? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 通讯作者?周新宇?研究员? 联系电话? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 换热器是一种十分重要的热量交换设备?它是一 种在不同温度的多种介质之间实现热量传递的节能设 备?它可以用低温介质冷却高温介质从而达到降温?预 冷的效果?也可以用高温介质加热低温介质?使其温度 达到加工工艺的规定标准从而满足生产的需要? 翅片 管换热器就是其中一种?它广泛应用于制冷专业?与普 通的换热器相比?它传热系数高?结构紧凑?使用寿命 长?拆装简易?是一种安全可靠的换热器?正是由于 翅片管换热器的诸多优点?越来越多的学者对其进行 研究?从而可以提升其换热性能? 不同的结构参数 ?翅片间距?翅片厚度?翅片高度?管排数?管间距等? 对翅片管换热器的换热性能都有一定程度的影响? 随 着科技的发展不单单依靠试验的手段对换热性能进行 研究?出现了数值模拟与物理试验相结合的方式?可 以对多种影响因素和设计方案进行系统研究和分析?使 得研究结果更加准确? 然而很多学者仅仅就其自身结 构?或排布方式? ?对其换热效果进行探究?本文则将 这二者相结合?使得翅片管换热器的结构得到最大程度 的优化?使得换热效率能够得到比较有效地提升? ?主要影响因素及模拟方案 ? ?主要影响因素 本文主要针对在某真空热处理炉换热器结构的基 础上?对其基本单元进行研究?通过数值模拟及试验验 证?对翅片管的排布及换热管自身结构进行优化?主要 有以下 ? 个因素对换热器的换热效率有影响? 某真空 热处理炉换热器结构的基本单元如图 ? 所示? 图 ?某真空炉换热器结构的基本单元 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?模拟方案 正交试验是研究多因素水平的一种设计方法?利 第 ? 期杨文静?等?翅片管换热器的结构优化 ? ? 用排列整齐的表来对试验进行整体设计?综合比较?统 计分析?实现通过少数的试验次数找到较好的结果?达 到所要求的目标? 本文在分析单个因素对优化目标的 影响时?不考虑因素间的交互作用?所以这是一个 ? 因 素? 水平的问题?选用正交表 ? ? ?安排试验? 在 进行正交试验表设计安排时?将因素 ? ? ? 依次 放入正交表第 ? 列? 正交试验因素水平如表 ? 所示? 表 ?正交试验因素水平表 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 试验 编号 影响因素 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?数值模拟及结果分析 ? ?数值模拟 ?几何模型的建立及网格划分 在运用 ? ? ? ? 进行模拟前?需要用 ? ? ? ? ? 进行建 模?为了节省计算量?采用如图 ? 所示的简化模型?其 中上下两个面均为对称面? ?边界条件的设定 利用 ? ? ? ? ? 对其进行流体区域与固体区域划分? 设定风入口为速度入口边界?出口为压力出口?水的入 口为压力入口?出口为压力出口?上下边界可采用对称 边界?其他可设壁面边界条件?具体参数设置?可在 ? ? ? ? 里进行进一步设置? ? ?模拟结果初步分析 利用简化模型对 ? 组模拟方案进行模拟后得到 了如表 ? 所示的试验结果? 图 ?翅片管的几何模型 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 表 ?正交试验方案及数值模拟结果 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 试验 编号 影响因素 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 换热系数? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 通过对正交试验所得到的数据进行直观分析得到 其极差和平均值如表 ? 所示? 表 ? 中各因素在换热系数中的极差值可知?各因 素对换热系数影响主次顺序为? ? ? ? ?由于 考察指标越大越好?因此对于换热系数 ? 个因素的最 优组合为? ?具体取值及结果如表 ? 所示? 由换热系数在影响因素取不同水平值时的均值变 化情况?得到各因素对换热系数的影响趋势如图 ? 所 示? 由图? 可知? 和 ? 对换热系数的影响较大? 和 ? 对换热系数情况的影响居中? 的影响最小? 各因素 对换热系数 ? 的影响规律如下? ? ? 第 ? 卷 表 ?正交试验的直观分析 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 换热系数? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 极差? ? ? ? ? ? 对结果影响 大小排序 ? ? ? ? ? ? ? ? ? 最优方案 ? ? 表 ?正交试验初步优化结果 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 因素 横向 间距 ? ? ? ? 纵向 间距 ? ? ? ? 翅片 厚度 ? ? ? 翅片 高度 ? ? ? 翅片 间距 ? ? ? ? 换热系数? ? ? ? 取值? ? ? ? 图 ?各因素对换热系数 ? 的影响趋势 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?翅片管横纵间距 ? 和 ? 对换热器的换热系数的 影响非常显著?都是随着间距的减小其换热系数增加? 由于其影响显著?所以在选择最优方案时?必须以翅片 管管间距为第一选择依据?在满足其最优解时?再对翅 片高度?翅片厚度?翅片间距进行优化选择?从图 ? ? ?可以看出?随着间距的增加?换热系数明显减 小?就本文中所选范围?横间距 ? ? ? ? ? ?纵间距 ? ? ? ? ?为最优方案? 而且就不改变真空炉翅片管换 热器管径大小的前提下?此结果也达到最优?如若继续 减小间距?则会发生干涉?使得相邻管翅片发生接触? 使换热器出现损坏? ?翅片高度 ? 与翅片厚度 ? 在一定程度上影响 着换热器的换热效果?而且从图 ? ?中都是先 增大后减小的?可以在所选取的范围内取到最大值?说 明对于 ? 和 ? 而言并不是其值越小?换热系数就越大? 对于翅片高度 ? 而言?增加翅片高度意味着其与热量 的接触面积就会增大?从而换热系数就得到提升?然而 如果翅片过高则热传导距离就会过长?热量从高温降 到低温则需要更多的时间?则单位面积上的换热系数 就会有所下降?所以翅片高度 ? 并不是越大越好?在所 选取的范围内得知 ? ? ? ? ? ?是最佳的结果?对于 翅片厚度 ?增加翅片厚度虽然在一定程度上使得换 热系数得到增加?然而过厚则会导致其温度下降的速 度过慢?从而减小单位面积上换热系数?反而减小换热 器的换热能力?所以在选择厚度时不能盲目增加?在本 论文所选取的范围内可知 ? ? ? ? ? ?为最优选择? ?理论上而言?翅片间距较小?换热系数就会提 到相应的增加?虽然从极差分析图 ? ?中可以看出翅 片间距越小?换热系数越高?但不能确定所选的参数范 围就是最优范围?因此应进一步进行试验研究? 从上述研究中得到翅片管横纵间距 ? ? 以及翅片 第 ? 期杨文静?等?翅片管换热器的结构优化 ? ? 高度 ?翅片厚度 ? 的最佳值?然而无法确定翅片间距 ? ? ? ? ?是否为最优解?因此需要对翅片间距的选择进 行进一步数值模拟试验?从而确定翅片间距 ? 的取值? 由图? ?中可以看出翅片间距 ? ? ? ? ?时?换热 系数最大?而且得知翅片间距越小?换热系数越高?在 此基础上针对翅片间距 ? 选取新的范围及对其进行模 拟后的结果如表 ? 所示? 表 ?翅片间距的优化结果 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 因素 横向 间距 ? ? ? ? 纵向 间距 ? ? ? ? 翅片 厚度 ? ? ? 翅片 高度 ? ? ? 翅片 间距 ? ? ? ? 换热系数? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 通过数值模拟得到翅片间距对换热系数影响的结 果?可以看出随着翅片间距的增大?换热系数逐渐减 小?因此翅片间距应取较小值? 虽然随着翅片间距的 减小?换热系数得到提高?但是换热系数并没有太大差 别?若选择间距过小?则实际生产中的成本就会提高? 经济性下降?因此综合考虑?在保证经济性能的基础上 可以选择翅片间距较小的结构?提高其换热系数?因此 翅片间距 ? ? ? ? ? ?为最优结果? 图 ?翅片管换热器结构图? ?及实体图? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?试验验证 采用优化后的结构进行了试验?一共采用了 ? 排 翅片管换热器?第一排 ? 根换热管?第二排 ? 根换热 管?进行交叉排列?其主要结构如图 ? ?所示?实物图 如图 ?所示?经过试验?可以得到稳定的淬火介质 温度?进入换热器的氮气平均温度? ?经换热器冷 却后?平均温度 ? ?具体参数如表 ? 所示? 表 ?真空气淬工艺参数 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 结果 氮气入 口温度? ? 氮气出口 平均温度? ? 氮气速度? ? ? ? ? 水压? ? ? 平均 水温? ? 预测结果? ? ? ? ? 实测结果? ? ? ? ? 旧结构实测结果? ? ? ? ? 经过试验可以达到真空气淬工艺的淬火介质?氮 气?的要求?且热处理后?工件的硬度和强度符合使用 要求?同时?从水温来看?该结构能交换出更多热量?提 高了换热效率? ?结语 ? 为提高换热器换热效率?对翅片管换热器结构 的最小单元进行优化?选取了翅片管横向间距 ? ?纵向 间距 ? ?翅片厚度 ?翅片高度 ?翅片间距 ? 五个对换 热效率影响的主要因素?并确定了当 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?时?可 以获得最大的换热系数?在相同换热面积时获得最大 的换热系数 ? ? ? ? ? ? ? 将该模拟优化结果应用于翅片管换热器中?通 过试验验证?其换热器出水口温度从以往的? ? ?升 高到 ? ? ?说明其单位时间内交换出更多热量?提 高了散热器的散热效率? ? 通过数值模拟与工程试验相结合的方式可以 极大程度地减少工作量以及试验成本?提前预估试验 结果?为日后的设计提供便捷? 参考文献?