螺旋曲面肋板式换热器的强化传热及结构优化研究

• 作 者: 唐鹤文
• 机 构: 南华大学
• 出 处: 南华大学
• 发表日期: 2013年01期
• 关键词: 板式换热器 螺旋曲面肋 数值模拟 正交试验

热交换是日常生活和工程技术领域中非常普遍的现象，作为实现热量传递的一种最基本的设备——换热器，如何改善其换热性能一直都是国内外学者专家研究的重中之重。板式换热器由于其传热系数高、结构紧凑、占地面积小、自洁能力强、拆卸方便、安装运输快捷等优点，被广泛应用于各行各业。鉴于此，如何利用强化传热技术来开发研究高效板式换热器不仅是现代工业发展的首要解决问题，也是响应国情、开展节能工作的紧迫任务。三维肋作为新型的无源强化传热元件，无需外加动力，结构简单，不仅扩展了换热板片的换热面积、增加了流体和肋片之间的接触，而且还减小了速度和温度梯度之间的协同角，强化换热效果显著。本课题将三维肋的螺旋曲面形式作为扰流元应用于板式换热器上，利用流体力学和传热学的相关基础理论，分析三维肋强化换热机理；应用三维造型软件Pro/E创建物理模型，计算流体力学软件Fluent进行数值模拟，研究螺旋曲面三维肋的排列方式、螺旋角度、迎流攻角、肋横向间距、肋宽与肋纵向间距比等参数对传热的影响，分析其换热规律；设计合理的正交试验并进行相关实验验证研究，寻求合适的扰流元形式和结构参数，完成板式换热器的结构优化。结果表明：在Re=2300~9500的工况下，螺旋曲面三维肋的排列方式为叉排时传热效果较优；选取的新型板式换热器的四个结构参数中，迎流攻角对换热的影响最大，肋横向间距和螺旋角度次之，肋宽与肋纵向间距比对换热的影响最小；在较优范围内安排正交试验得出的数据显示：当螺旋曲面肋的结构参数为螺旋角度θ=35°、迎流攻角β=60°、肋横向间距Pt=13mm、肋宽与肋纵向间距比v=0.65时螺旋曲面肋板式换热器的换热效率最高，效果最好；最后的实验验证数据与数值模拟数据的相对误差都保持在15%的允许范围以内，也表明了本文物理模型的正确性和数值模拟方法的可行性。