异型钉头管强化传热及流动特性研究.docx

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1、异型钉头管强化传热及流动特性研究随着社会的快速发展,能源的节约和合理利用已经成为当今世界各国可持续发展的主题。强化传热能提高换热设备的效率,有效缓解能源短缺问题,一直是国内外节能减排发展关注的重点问题。钉头管作为一种高效的强化传热元件,具有扩展表面、增加流体湍流程度的作用,广泛应用于石油化工、煤化工、冶金、陶瓷、建材等领域中。异型钉头虽然已被工业界所采用,但研究主要致力于钉头形状和钉头尺寸、排列方式等,且研究参数、应用领域等各不相同,没有进行最优化分析,特别是异型钉头管应用于传热系数较低的气体侧的强化传热

2、及流动特性,缺乏系统详细的研究数据,仍无法说明哪种钉头形状具有最好的综合性能,且对其强化传热机理还缺乏统一的认识。本文采用“理论分析—数值模拟—实验验证”相结合的研究方法,对圆形、椭圆形、滴形三种不同形状异型钉头管的传热及流动特性进行了研究。从理论方面对钉头管的传热及流动特性进行分析,为数值模拟和实验等提供指导依据。以钉头管为研究对象,在风洞背景下,以分析钉头管外侧流体流动状态和换热机理为研究目的,利用当前发展比较成熟的CFD数值模拟技术和萘升华实验进行了研究。利用正交试验设计法针对圆形钉头设计9种钉头管

3、的计算模型,并对其进行数值模拟,获得钉头管外空气侧的压力场、温度场和速度场的分布,分析钉头管的流动与传热性能。对正交试验结果进行分析,得出在以后对钉头管流动和传热性能的研究中,工作重点主要应放在每环钉头个数和钉头高度的优化上的结论。对圆形钉头管进行数值模拟,结果表明在模拟的雷诺数范围内,钉头管的压降约为光管的1.35-2.31倍,钉头管的总表面换热系数约为光管的1.10-1.72倍。钉头管的综合性能均优于光管。当钉头高度为45mm,每环钉头个数为8,纵向间距为30mm,钉头半径为5mm时,钉头管的综合换热

4、性能约为钉头高度为25mm,每环钉头个数为4,纵向间距为30mm,钉头半径为4mm时的1.15-1.29倍。对三种不同截面形状的钉头管进行数值模拟,通过对单位质量换热量、单位面积换热量、总表面换热系数、阻力性能、综合性能的模拟结果比较,得到滴形钉头管的传热和流动特性都是三者之中最佳,说明采用滴形钉头管,可以收到强化传热和降低流阻的双重效果。对滴形钉头管钉头高度、每环钉头个数、基管高度、钉头环数、管内壁温与入口温差以及入口空气速度等进行数值研究,并研究了钉头管空气侧流场的协同性。对钉头高度和每环钉头个数的研

5、究表明,在每环钉头个数固定、钉头高度变化时,钉头管的单位面积换热量、总表面换热系数、阻力、综合性能大多在钉头高度为35mm时出现高峰值。对基管高度的研究表明,单位面积换热量、总表面换热系数、阻力性能、综合性能大多随着基管高度的增加而先减小后增大。对钉头环数的研究表明,单位质量换热量、总表面换热系数、阻力性能、综合性能都随着钉头环数的增加而增大,其增大的速率几乎是线性的。而单位面积换热量随钉头环数的增加而减小。对管内壁温与入口温差的研究表明,单位质量换热量、单位面积换热量、总表面换热系数、综合性能都随着管内

6、壁温与入口空气温差的增加而增大,而阻力性能随着管内壁温与入口空气温差的增加没有变化。对入口空气速度的研究表明,单位质量换热量、单位面积换热量、总表面换热系数、综合性能都随着入口空气速度的增大而增大,而阻力性能随着入口空气速度的增大逐渐减小,动量损失率越来越小。流场协同性分析表明,滴形钉头管空气侧流场的协同优势非常明显。采用萘升华技术在吸入式风洞中对圆形、椭圆形和滴形三种不同截面形状的钉头管进行实验研究,探讨钉头纵向间距、每环钉头个数、周向角等对换热和流动特性的影响。结果表明:在雷诺数为0.5×105-4.

7、1×105的范围内,(1)钉头表面和基管表面均在周向角Φ=90°时换热效果最好。(2)三种钉头管的换热系数均随着雷诺数的增大而增加,且均优于光管。(3)钉头形状对阻力性能影响较大,滴形钉头接近流线形,阻力较小。(4)综合考虑换热系数和阻力性能,滴形钉头管的综合换热性能指数最高。本文对异型钉头管的传热及流动特性的研究,对于指导钉头管的设计和生产实践都具有重要的意义。