【《某翅片管换热器结构优化以及结果分析案例》4200字】

某翅片管换热器结构优化以及结果分析案例目录TOC\o"1-3"\h\u12588某翅片管换热器结构优化以及结果分析案例 1212391.1翅片间距对换热器流动及换热特性的分析 1131061.1.1翅片管内压力、速度及温度云图分析 1107171.1.2翅片管内流动及传热性能参数分析 518491.2翅片形状对换热器流动及换热特性的分析 8216891.2.1翅片管内压力、速度及温度云图分析 8323651.2.2翅片管内流动及传热性能参数分析 12作为汽车尾气余热利用供暖系统的重要设备，翅片管换热器换热性能的高低直接决定了对尾气余热利用程度。对换热器进行结构优化，提高其换热性能，使其尽可能多的回收尾气余热，能够有效缓解能源消耗问题，并且对环境保护也有积极作用。了解翅片换热器的流动性能，能够对优化换热器，提高换热效率提出理论性的指导。利用ANSYS软件进行数值模拟可以分析翅片管换热器的流动及换热特性。本章主要通过改变换热器的翅片间距和翅片形状，观察流体域压力、速度和温度场的分布情况以及对流动换热参数的变化规律进行分析，通过对综合评价因子的比较得出在所研究范围内的换热器的最优结构。1.1翅片间距对换热器流动及换热特性的分析为了研究不同翅片间距对换热器换热性能的影响，并考虑到由于汽车尾气含有大量颗粒分子，为了减小换热器积灰堵塞情况，设定翅片间距分别为5mm、6mm、7mm、8mm、9mm，研究换热器在5种翅片间距下的流动及换热性能。1.1.1翅片管内压力、速度及温度云图分析（1）压力云图间距=5mm（b）间距=6mm（c）间距=7mm（d）间距=8mm（e）间距=9mm图3-1Re=5000下不同翅片间距烟气流域中心截面处压力分布云图如上图3-1所示为不同间距下烟气流域中心截面处压力分布云图，由图3-1可知，在整个气体流道当中，除了换热管上下侧一小区域以及后两排管束背风侧有部分区域存在负压外，沿烟气流动方向，压力整体呈降低的趋势，这是由于气体在流动过程中受到换热管阻力和翅片摩擦阻力的影响。其中，换热管阻力与管子的形状、尺寸有关；摩擦阻力和气体流速有关。当流体横掠换热管时，压降损失变化最大。（2）速度云图间距=5mm间距=6mm间距=7mm间距=8mm间距=9mm图3-2Re=5000不同翅片间距烟气流域中心截面处速度及流线分布图如图3-2所示为Re=5000时不同间距条件下换热器的速度云图和流线图。由图可知，当烟气迎面掠过换热管时，在换热管迎风面产生分流，使得换热管上下及附近区域烟气速度要大于进口速度；在换热管的背风侧都出现了大面积的滞留区，这是因为负压导致旋涡产生使得管背风侧受到涡流影响使烟气流速降低。越靠后的换热管其背风侧滞留区面积越大，这是因为后排管受前排管束的影响较大。随着翅片间距的减小，烟气侧流道减小，烟气流经翅片时扰动加强，流动阻力变大，使得换热管最后排背风侧的滞留区面积以及滞留程度都变大。（3）温度云图（a）间距=5mm（b）间距=6mm（c）间距=7mm（d）间距=8mm（e）间距=9mm图3-3Re=5000下不同翅片间距烟气流域中心截面处温度云图分布由图3-3可知，随着翅片间距的增大，计算域出口截面处尾气温度呈逐渐上升的趋势，这是因为在相同雷诺数下，随着翅片间距的增大，当量直径变大，进而使得高温烟气冲刷翅片管束的速度减小，流动湍流程度降低，翅片边界层厚度变厚，引起传热热阻的增加。因此，换热器出口温度呈上升趋势。1.1.2翅片管内流动及传热性能参数分析（1）压降分布规律图3-4总压降随翅片间距的变化由图3-4可知，在保持翅片间距一定的条件下，随着雷诺数的增加，烟气流体在整个流道内的总压降呈逐渐增大的趋势，且随着雷诺数的增加，增加幅度变大。随着翅片间距的增大，进出口压降逐渐减小，并且其减小的程度也随着间距的增大而变缓。（2）阻力系数分布规律在5个雷诺数条件下翅片管换热器的阻力系数f随翅片间距的变化如图3-5所示。由图可知，对于不同翅片间距的换热器，其阻力系数随雷诺数的变化大致相同，随着雷诺数的增大，阻力系数减小。在同一雷诺数下，换热器的阻力系数f随翅片间距的增大也呈逐渐降低的趋势。随着的增加，会使得烟气流体流道扩大，流速降低，进而使得流动阻力减小在Re为5000-11000的高雷诺数范围内，阻力系数变化趋势比较平缓，但雷诺数由低向高过渡时，阻力系数有一个急剧下降的过程。图3-5阻力系数随翅片间距的变化（3）换热系数分布规律不同雷诺数下换热器换热系数随翅片间距的变化关系曲线如图3-6所示。图3-6换热系数随翅片间距的变化由图3-6可知，在同一翅片间距下，换热器的换热系数随着雷诺数的增加而增加，随着雷诺数的增加，气体流速变大，流体的湍流程度增强，边界层被破坏形成的程度更频繁，其换热能力更强。在同一雷诺数下，随着翅片间距的增加，换热系数呈减小的趋势，因为h的大小与Nu和当量直径有关，随着间距的增大，Nu增大但增大程度不明显，但是当量直径却有显著的增加，最终导致（4）综合换热性能分布规律根据计算结果得到的Nu·f−1/3随翅片间距的变化关系曲线如图3-7所示。由图中关系可以得出，在相同翅片间距下，Nu·f−1/3随雷诺数的增大而增大，这是符合流体流动换热的规律的。雷诺数越大，流体扰动越强，湍流成分发展越强烈，其换热程度也就越高。在同一雷诺数下，Nu·f−1/3值随翅片间距的增大整体上呈增加的趋势，但是当翅片间距增加到7mm后，图3-7Nu·f1.2翅片形状对换热器流动及换热特性的分析本小节主要通过改翅片的几何形状来研究换热器的流动及换热特性。根据前一小节所得结论，选择翅片间距=7mm，在保持翅片侧表面积为一定值的条件下，将翅片分为矩形翅片和圆形翅片，并且根据矩形翅片长宽比的不同把其划分为三种形式，其具体结构尺寸见表3-1表3-1翅片结构尺寸翅片形状参数值侧表面积（mm2矩形翅片长宽比（mm）A型62/622587B型66/58C型70/55圆形翅片直径（mm）69.951.2.1翅片管内压力、速度及温度云图分析（1）压力云图A型矩形翅片B型矩形翅片C型矩形翅片圆形翅片图3-8Re=5000下不同形式翅片烟气流域中心截面处压力分布云图由图3-8可知，换热管上下侧总有一部分区域存在负压，并且管子位置越靠后，其负压存在区域越大；在后两排换热管的背风侧有较大面积负压的存在，这是因为烟气横掠管束时发生绕流脱体，除此之外，在烟气流动方向上压力基本保持降低的趋势。（2）速度云图A型矩形翅片B型矩形翅片C型矩形翅片圆形翅片图3-9Re=5000下不同形式翅片烟气流域中心截面处速度及流线分布云图如图3-9所示为不同翅片形状换热器的烟气流域中心截面处的速度以及流线分布图。从图中可以得知，换热管上下侧以及附近区域的速度大于入口速度，在换热管的迎风侧有一块很小的区域烟气速度较低，这是由于烟气在横掠管子时，其中一部分烟气绕过管子的两侧加速向前，导致换热管上下侧区域附近速度提高，另有一小部分烟气由于受到管子的阻碍使其向相反的方向流动，进而形成了一个旋涡区域，使得该区域速度较低。并且由于烟气的分流，在换热管背风侧产生负压，从而有涡流的产生，因此存在较大面积的速度滞留区，并且三种矩形翅片的滞留区面积都大于圆形翅片。（3）温度云图A型矩形翅片B型矩形翅片C型矩形翅片圆形翅片图3-10Re=5000下不同形式翅片烟气流域中心截面处温度分布云图如图3-10所示为不同翅片结构换热器烟气流道中心截面处温度分布云图。由图可知，由于受烟气流动的影响，在换热管背风侧存在烟气低温区，且后两排换热管背风侧的烟气低温区面积比之于前两排要大；其次，三种矩形翅片换热管背风侧低温区面积普遍都要大于圆形翅片，尤其是在后两排换热管更加地明显；在三种矩形翅片中，A型矩形翅片换热管低温区面积最高，B型其次，C型最小。因为翅片形状以及尺寸的不同，对烟气在流道中的流动状态产生了影响，从而导致其在流道内温度的分布情况也有差异，对于第一排的迎风翅片，圆形翅片在烟气流域中心截面处温度梯度的变化要依次大于C型、B型、和A型矩形翅片，并且梯度变化的均匀程度圆形翅片也是最优的。在温度云图的上下边界出有一部分温度始终呈现出高温状态，这是由于在建立模型时，烟气流道的上下边界与翅片的上下边界之间存在一定距离，因此当烟气流经此间距时不发生换热。1.2.2翅片管内流动及传热性能参数分析（1）压降分布规律图3-11总压降随翅片形式的变化由图3-11可知，在相同雷诺数下，圆形翅片管换热器的进出口压降比之于三种矩形翅片管换热器都要低，并且差值随着雷诺数的增大而增大，产生此种差异的原因是由于圆形翅片迎风面积要小于矩形翅片，使得其对烟气流动的阻碍降低，进而使其压降减小。对于不同形状尺寸的换热器，其压降都随雷诺数的增加而显著增加，并且其压降变化率也逐渐变大，这也进一步说明流速对翅片管换热器压降的影响。（2）阻力系数分布规律图3-12阻力系数随翅片形式的变化如图3-12所示为四种不同形式翅片的阻力系数的变化关系曲线图。由图可得，在相同雷诺数的条件下，圆形翅片的阻力系数最小，这是因为圆形翅片的进出口压差最低的缘故，与前文所得出的结论相符合。随着雷诺数的增加，四种翅片的阻力系数都随之减小，并且由于雷诺数的增加导致换热器进出口压降和烟气流道中最小通流截面的平均速度都增大，但由于最小通流截面的平均速度增加量要大于压降的增加，所以使得换热器的阻力系数减小。（3）换热因子分布规律图3-13换热因子随翅片形式的变化如图3-13所示为不同形状尺寸翅片管换热器换热因子j与雷诺数之间的关系。由图可知，随着雷诺数的增加，四种换热器的换热因子都呈递减态势。因为随着烟气流速的增加，流道内与翅片进行换热的烟气流量增大，使得其出口温度上升，从而导致其换热因子减小。在整个所研究的雷诺数范围内，圆形翅片的换热因子一直保持最低，在雷