SK型制冷换热器传热与流阻特性的实验研究

论文摘要

换热设备在工业生产中占有重要地位,其传热性能的好坏对节能有着重要意义。目前,翅片管式换热器被广泛应用于能源动力、化工、冶金、空调、食品冷藏加工等诸多行业,特别是在制冷及空调领域,翅片管式换热器的应用更为广泛,而优化和提高翅片管式换热器空气侧的传热和流阻特性,也就相应的成为制冷空调领域的一个极其重要的研究课题。换热器空气侧性能受自身结构参数以及外界环境因素的影响,自身结构参数包括翅片间距、翅片厚度、管排数等,外界环境因素包括换热器进口空气干球温度、湿球温度和迎面空气流速、空气流量以及空气进风条件(自由进风、受限进风)等。目前,结霜工况下工作的制冷换热器基本上采用平翅片,高效翅片的使用未见报道。干工况下所进行的理论研究及实验研究都表明,在平翅片上开小圆孔是一种简单有效的强化传热措施,其强化机理在于,小孔可以破坏边界层以及增强气流的扰动,从而使局部换热系数提高。对称圆孔翅片和三对称大直径圆孔翅片(又简称SK型翅片)就是依据此原理为改进依据发展起来的。前期模拟及相关实验都证实,相对于矩形平翅片,SK型翅片具有最优的强化传热效果。方赵嵩利用FLUENT软件对平翅片、对称圆孔翅片和SK型翅片空气侧的流动及换热进行了数值模拟,对不同风速下的速度场、温度场和努谢尔特数分布的数值模拟结果进行了分析,结果表明:数值模拟的结果与早期实验结果吻合较好,误差控制在10%以内。同时,模拟结果还表明:同等条件下,SK型翅片的平均表面传热系数比平翅片平均高出25.7%。在模拟结果证实SK型翅片是一种传热效果优越的片型的基础上,方赵嵩利用风洞试验台在结霜工况下对平翅片、对称圆孔翅片和SK型翅片管式换热器进行了换热与制冷性能的对比性实验,实验结果表明:结霜工况下下,与平翅片及圆孔翅片相比,SK型翅片的强化传热效果最好。为进一步说明SK型翅片优越的强化传热效果,并将科学研究成果转化为生产力,使SK型翅片可以量化生产。张杰等人制作了平翅片冷风机及SK型翅片冷风机各一台,并将已有的按冷库标准建造的人工气候室进行改造,对两台冷风机的节能性能进行了对比性工业样机试验。试验结果证实:本项目所开发出来的SK型制冷换热器是一种传热性能优异、能效比高的节能产品,以上研究成果结果还不能全面反映SK型翅片的空气侧特性,目前,有关换热器空气侧性能的研究主要分为:实验研究和数值模拟研究。由于制冷工况下进行换热的两种流体在换热器内部的流态极其复杂,这就使得数值模拟难以得到可靠的研究结果。因此,目前对换热器空气侧特性的研究,主要还是以实验研究为主。本文在前人实验研究和理论研究的基础上,利用已有风洞试验台,在结霜工况下,采用实验的方法研究了SK型翅片管式换热器的传热和流阻特性,分析了不同入口空气流速和相对湿度对SK性翅片管式换热器传热与流阻特性的影响情况,并回归出SK型翅片管的努谢尔特数Nu和摩擦系数f的准则关联式。实验结果表明:①入口空气温度恒定为28℃时,在实验时间段内,SK型翅片管表面霜层生长始终处于结晶生长期时,SK型翅片管式换热器的制冷量Φ、翅片表面传热系数h和空气侧压降ΔP值都随着入口空气流速和相对湿度的增大而增大。同时在相同的入口空气流速和相对湿度下,换热器的制冷量Φ、翅片表面传热系数h和空气侧压降ΔP值随着结霜时间的进行是不断增大的。②入口空气温度恒定18℃时, SK型翅片管表面结霜经历了三个阶段——结晶生长期、霜层生长期和霜层充分生长期。此时,SK型翅片管式换热器的制冷量Φ、翅片表面传热系数h、空气侧压降ΔP和COP值都随着入口空气流速和相对湿度的增大而增大。同时在相同的入口空气流速和相对湿度下,换热器的制冷量Φ、翅片表面传热系数h和COP值随着结霜时间的进行是先增大而后逐渐降低。结霜工况下,对不同入口空气流速和相对湿度对SK型翅片管式换热器传热及阻力特性的影响进行深入分析,进一步阐明了结霜工况下SK型翅片管式换热器换热及内部流动的内在机理,加深了对SK型翅片管式换热器工作过程的理解,为SK型翅片管式换热器阻力和热工的优化设计提供基础依据,为其工业应用提供技术支撑。

论文目录

• 中文摘要
• 英文摘要
• 1 绪论
• 2 强化传热理论概述
• 2.1 强化传热技术产生的时代背景、研究目的和重要意义
• 2.1.1 强化传热技术产生的时代背景
• 2.1.2 强化传热的社会需求
• 2.1.3 强化传热技术的目的和意义
• 2.2 强化传热的途径和分类
• 2.2.1 强化传热的基本途径
• 2.2.2 强化传热技术的分类[4][5][6]
• 2.3 强化传热在空调中的应用
• 2.3.1 空气侧强化换热研究
• 2.3.2 管内制冷剂侧相变换热的强化
• 2.3.3 减小翅片与管子间的接触热阻
• 2.3.4 翅片与换热管的组合性能
• 2.3.5 管束传热性能与流阻性能研究
• 2.3.6 空气动力性能研究
• 2.4 强化传热技术的发展
• 2.5 强化传热技术发展趋势
• 3 管外横掠翅片管强化传热及流阻研究动态
• 3.1 强化传热技术在翅片管式换热器中的应用
• 3.1.1 翅片管式换热器的研究意义
• 3.1.2 翅片管式换热器的管外翅片类型
• 3.2 间断型翅片的国内外研究现状
• 3.2.1 干工况下的研究进展
• 3.2.2 湿工况下的研究进展
• 3.2.3 结霜工况下的研究进展
• 3.3 目前研究中存在的问题
• 4 三对称大直径圆孔翅片管的研究现状
• 4.1 SK 型翅片管
• 4.2 SK 型翅片空气侧的传热与流阻特性数值模拟
• 4.2.1 速度u=1m/s 时计算结果分析
• 4.2.2 速度u=4m/s 时计算结果分析
• 4.2.3 不同翅片模拟结果的比较
• 4.3 结霜工况下翅片管式换热器的节能性能实验研究
• 4.3.1 制冷量Φ0 的对比结果
• 4.3.2 当量表面传热系数ho 的对比结果
• 4.3.3 压缩机能效比COP 的对比结果
• 4.4 SK 型制冷换热器的样机试验研究
• 4.5 本章小结与本课题的研究重点
• 5 实验设计与数据处理
• 5.1 实验系统
• 5.2 试件设计
• 5.2.1 试件设计原理
• 5.2.2 翅片类型
• 5.3 实验数据处理方法
• 5.3.1 换热器制冷量
• 5.3.2 翅片表面当量表面传热系数
• 5.3.3 翅片表面空气侧的阻力
• 5.3.4 压缩机能效比COP
• 5.3.4 定性参数及无因次准则数
• 5.4 热平衡计算
• 5.5 实验方法
• 5.5.1 测量仪器的选择
• 5.5.2 实验步骤
• 5.6 本章小结
• 6 实验结果及分析
• 6.1 入口空气温度28℃时SK 型翅片管实验结果及分析
• 6.1.1 不同进口空气风速对SK 型翅片管传热与流阻性能影响的分析
• 6.1.2 不同进口空气相对湿度对SK 型翅片管传热与流阻性能影响的分析
• 6.1.3 翅片表面霜层的变化
• 6.2 入口空气温度18℃时SK 型翅片管实验结果及分析
• 6.2.1 不同进口空气风速对SK 型翅片管传热与流阻性能影响的分析
• 6.2.2 不同进口空气相对湿度对SK 型翅片管传热与流阻性能影响的分析
• 6.2.3 翅片表面霜层的变化
• 6.2.4 压缩机COP 值随不同入口空气流速和相对湿度的变化情况
• 6.3 本章小结
• 7 SK 型翅片管式制冷换热器传热与流阻实验的回归分析
• 7.1 建立回归模型及回归方法
• 7.2 入口空气温度为28℃时SK 型翅片管的实验数据处理结果
• 7.2.1 努谢尔特数Nu 和雷诺数Re 的关系
• 7.2.2 摩察系数f 和雷诺数Re 的关系
• 7.2.3 SK 型翅片管式换热器传热与流阻关联式
• 7.3 入口空气温度为18℃时SK 型翅片管的实验数据处理结果
• 7.3.1 努谢尔特数Nu 和雷诺数Re 的关系
• 7.3.2 摩察系数 f 和雷诺数 Re 的关系
• 7.3.3 SK 型翅片管式换热器传热与流阻关联式
• 7.4 本章小结
• 8 结论与展望
• 8.1 结论
• 8.2 展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录