国内换热器的研究现状与展望
2024-01-28
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第24卷第5期 制冷与空调 Vlo1.24 No.5 2010年10月 Refrigeration and Air Conditioning 0ct.2010.61~65 文章编号:1671.6612(2010)05.061.05 国内换热器的研究现状与展望 汪波 茅靳丰 耿世彬 韩旭 魏鹏 (1.解放军理工大学 南京 21 0007;2.西安陆军学院 西安71O1 08) 【摘要】 叙述了影响换热器换热性能的几个因素以及评价换热器性能的标准,对国内换热器研究的发展及 研究进展进行了回顾,总结了研究过程中存在的不足,并对换热器的进一步研究作出展望。 【关键词】 换热器;肋片效率;换热因子;摩擦因子 中图分类号 TU831.6 文献标识码B Present State and Perspectives of Research on Domestic Heat・exchanger Wang Bo Mao Jinfeng Geng Shibin Han Xu Wei Peng (1.PLAUniversity ofScience&Technology,Nanjing,210007;2.Xi’an Land Force Institute,Xi’an,710108) [Abstract]The factors which put effect on the performance of heat-exchanger are illustrated in this paper as well as the evaluating criterion,the review ofthe developing process on domestic heat-exchanger is made,problems in the research process are summarized,and further development is proposed. [Keywords]heat・exchanger;fin efifciency;heat transfer factor;friction factor O 引言 括板片式换热器和板翅式换热器)。对于各型换热 换热器的发展已经有近百年的历史,其在国民 器的强化换热技术的研究,主要集中在对换热器内 经济的诸多领域(如食品、制药、石油化工、空调、 流体流态变化以及对各部件的参数优化研究两方 动力、冶金、轻工等)得到广泛的应用。进入80 面,而对换热器部件参数的主要研究对象就是换热 年代以来,由于制造技术、材料科学技术的不断进 管(板)排列方式(顺排或叉排)、换热管(板) 步和传热理论研究的不断完善,有关换热器的节能 排数、换热管(板)间距大小、肋片布置问距、肋 设计和应用越来越引起关注,特别是近年来,能源 片形状等。通常的研究方法包括:数值模拟计算、 与材料费用的不断增长极大地推动了对高效节能 实验方法研究、理论研究三类。 换热器的研究,地下工程空间有限,高效率的换热 1.1数值模拟计算 器能节约地下工程的使用空间和能源。目前,节能 1.1.1计算机优化设计 减排已成为我国“十二五”期间重要战略的举措, 借助于计算机模拟运算的优势,90年代初, 高效节能换热器的研究也成为当今地下换热领域 杨长威【1 J利用AUTOCAD2000的二次开发工具 研究的热点。 VISUALLISP对管翅式蒸发器进行了计算与绘图。 陈维汉【2J在应用给定换热器结构材料下,对换热器 1 换热器的国内研究现状 进行优化设计。郑钢等_3]采用稳态分布参数法,对 换热设备按照其功能可命名,如冷凝器、蒸发 冷凝器和蒸发器使用时回路的最佳长度进行了计 器、再热器、过热器等,按换热部件的特点可分为: 算机模拟。董玉军等I4 】对已有的板式蒸发器内蒸 管壳式换热器、翅片管式换热器、板式换热器(包 发换热关联式和摩擦压降关联式进行了总结,并采 基金项目:国防人防项目(批准号:20070208) 作者简介:汪波(1983),男,博上,助理工程师,研究方向为地下工程热湿传递理论技术。 收稿日期:2010.09—24 ・62・ 制冷与空调 2010笠 用分布参数法对波纹型多通道单流程板式蒸发器 在小换热温差时的换热性能进行模拟分析;在以压 降为约束条件下,董玉军 J采用分布参数法对湿工 况下冷却空气型干式蒸发器盘管进行了数值模拟 以达到盘管换热性能最优化换热效果。席战利 J用 分布参数法对管翅式蒸发器建立了数学模型,并对 公开文献已有的换热系数和摩擦压降的关联式进 献中的实验数据进行了比较分析。郝亮等L2 uJ采用分 布参数法,对图2所示的层叠式蒸发器建模,分析 中间隔板深度以及流程设置对其传热和压降特性 的影响。靳世文等l2ll应用数值模拟方法研究了风量 变化对管翅式蒸发器换热性能的影响;尹斌L2纠对 R134a单元机的蒸发器的仿真在使用改进的KaRan 模型下,计算了管内不同干度区域的局部沸腾换热 系数,通过隐式三次多项式拟合模型计算制冷工质 行了总结。李永鹏等L9J和宣宇清IJ叫采取分布参数法 分别对船舶冷库蒸发器和房问空调蒸发器建立各 自的稳态数学模型,并使用MATLAB语言编程计 算。程金强等lJlJ建立管翅式换热器传热过程的物理 模型利用计算流体力学(CFD)软件进行模拟,随后 建立试验台对模型进行验证。 1.1.2设计参数对换热器性能影响的模拟 在换热器的设计中,换热管排数和布置方式、 换热管形状、肋片外型以及问距等对换热器性能的 影响不可忽视。黄兴华【1 zJ运用计算机模拟了不同管 型、不同流程布置对满液式蒸发器性能的影响。邓 敏锋【l 3J对多元平行流蒸发器建立数学仿真模型,对 影响蒸发器性能的各参数进行了研究。邓斌ll 采用 湿球温度效率法对蒸发器进行了模拟,并分析了流 程布置形式对换热器性能的影响。周俊杰IJ 应用 SIMPLE算法对开缝肋片表面的传热及流动阻力 特性进行了数值模拟;金巍巍 6J对在开缝翅片管翅 式换热器的X型开缝规律与转折Re点的变化进行 三维层流数值模拟。秦保军和朱春玲【l 7J对肋片管换 热器管外三维流动与传热情况进行了数值模拟。 气 口 进气 进口 排气进口 图1 薄膜式全热换热器物理模型 苏铭¨8J对不同通道构型的薄膜式仝热换热器 的性能进行了数值计算分析和比较,所建物理模型 图示如图1。任效明l J等借助CFD软件中的  ̄-eRNG模型,计算了百叶窗翅片空气侧不同流速 下的换热和压降,理出换热和摩擦因子,与相关文 的物性参数。吴金星[23,241建立单周期三维模型对螺 旋肋片换热器内流场和温度场进行模拟,并分析了 影响换热性能的因素。黄东【2 5J对单流路双排管蒸发 器性能的数值模拟结果得出了风速分布形状对传 热性能影响的规律。刘彦军[26,27]用控制容积法对翅 片管管片式换热器的肋效率进行了数值计算,分析 了换热管间距、肋片厚度、导热系数等因素对肋效 率的影响。 图2层叠式蒸发器结构 1.1-3结霜现象对换热器性能影响的研究 宋伟宏[船1、陈楠 引、赖建波【 。 分别通过微元 划分建模和编制结霜工况下的动态仿真程序对蒸 发器进行模拟。王芬芬 lJ针对平肋肋片管式换热器 的结霜过程建立了数学模型。张哲[32,33]通过计算机 模拟与实验结果比较对风冷热泵室外侧蒸发器结 霜特性影响进行分析。谷波【3 】用FLUENT建立管 翅换热器结霜模型,对结霜的传热传质过程和霜层 的增长进行了模拟。罗超、吴金玉[35,361建立了分布 参数仿真模型,对冰箱冷冻室蒸发器结霜进行了数 值模拟和试验。 第24卷第5期 汪波,等:国内换热器的研究现状与展望 ・63・ 1.2实验研究 热公式推导出的解析解较少,目前大多是通过试验 数据分析拟和而成的经验公式; (2)换热的理论体系缺乏系统性,不够完善; (3)因为试验环境,材料,仪器的精度以及 试验方法不同,在同一个研究方向的某些问题的研 究结论存在的分歧较多,很难形成统一的意见,暂 不能形成对实践的可靠指导; (4)目前对换热器的研究大多基于一维、二 为了能更深入反映换热器的实际运行性能,使 换热器的实验研究工作得以全面展开。曾文良[37J 对压缩空气在人字形波纹板式换热器传热与流阻 性能进行了实验研究。金晶l3 8l采用局部模拟试验法 在对针形翅管束进行纵向冲刷特性试验,得出了针 形翅管束的平均Nu数和阻力数的计算关联式。陈 育平在文献[391中对不同结构尺寸针状肋片的实物 模型进行试验研究,得出了相应的传热及阻力特性 的实验准则关系式。 仇性启等【4oJ研究了纵向翅片管换热器翅片侧 的传热特性和阻力特性。吴伟栋 和何春霞[421分 别对新型三维外肋管叉排管束的换热及流动特性 和自然对流换热特性进行优化实验,得出了实验条 件下的换热及阻力变化的准则关联式。刘颖等I4jl』 利用显微摄影法对室外侧换热器的结霜过程进行 动态跟踪,测定了不同制热工况下平直翅片的表面 霜层厚度。 1.3理论研究 对换热机理的理论研究能为换热装置性能强 化提供有力的支持依据。沈胜强【4 4l证明了肋片传热 面最佳肋片厚度的存在,并推导了最佳肋片厚度的 理论关系式;邓先和 刚、徐国想【 对板式换热器 中圆柱肋片的传热效率进行分析,在考虑单位质量 材耗的换热能力最大时,分析研究了不同Re数下 肋片长度、直径及板厚之间的关系;闫桂焕L4驯以几 种不同形状的梯形肋片管为研究对象,从理论上求 解了肋片的实际温度分布;刘瑞[4 9J引用无量纲品质 因数,对空气入口侧肋片形状对散热器换热性能和 流动阻力的影响进行综合评价;吴冬梅l50J、贾力【5lJ 对含水蒸汽的混合气体垂直外掠水平圆管的冷凝 换热问题进行了理论研究。 2存在的不足及发展前景 2.1存在的不足 国内对于换热器肋片换热的研究起步比较晚、 经验比较少,多借鉴于国外,无论是理论研究还足 实验研究都还需进一步深入,技术创新还不够,但 是对各因素对换热器性能影响的研究也比较全面。 总的来说,仍然存在以下问题: (1)换热器换热的理论研究不够完善,可供 对肋片实际应用优化设计的理论依据太少,对于换 维的换热,国内对于三维的换热模型的研究过少, 同时,对于一维和二维传热模型的前提假设条件很 苛刻,得出的结论适用性不强; (5)结合试验建立的部分换热理论还缺乏严 谨性和局限性。 2-2换热器研究的发展前景 换热器肋片换热的研究应该注重基础性的理 论研究创新,寻求建立能支撑肋片设计选型的系统 化的理论,同时要结合实验研究,寻求实际应用中 最节能的肋片参数值。 换热器制造商和设计人员对于换热器肋片外 型、布置仍然没有可靠的理论依据,传统的肋片布 置方式在换热效率上不如换热管表面设置的针状 或圆台状肋,而对于针状肋片在换热管表面的最佳 换热的散布规律仍然还不明晰,理论研究非常薄 弱;对替代传统的平板和环状肋片的高效换热肋片 研究甚少。 新型换热管的形状研究过少,目前的研究仅局 限于传统的圆形或矩形换热管上,对更高效的换热 管型的探索研究比较缺乏。 对换热管排数和排列方式对换热器整体换热 性能的影响研究的理论体系还没形成,目前对于此 方面的研究多以实验研究为主,然后从实验中提取 经验公式,关于管排数的纯理论的换热理论还没有 得到建立。 作为衡量换热器性能时的换热效率,已不能作 为换热器设计选型的标准,换热效率高并不意味着 制造成本的节省以及换热效果最佳化;传热因子和 摩擦因子是比较合适的衡量换热器整体性能的指 标,但是需要综合考虑此两种因素后建立换热器最 优化换热的统一理论,单一的考虑换热因子或者摩 擦因子的大小对于衡量换热器换热性能没有任何 意义。 ・64・ 制冷与空调 2010焦 3结语 总体来说,目前换热器换热的研究在理论基础 [15】周俊杰,李光熙,屈治国,等.开缝肋片表面的数值模拟 及特性分析fJ].暖通空调,2005,35(7):68—71. 方面还有待深入,在能源日趋紧张的今天,特别是 地下工程,可依据的换热器设计理论系统和标准对 于强化换热和节能意义重大。在完善换热理论体系 上,还需要做大量的理论和实验工作,这方面我们 [16】金巍巍,屈治国,张超超,等.空调蒸发器用管翅式换热 器开缝翅片的数值设计fJ】.工程热物理学报,2006, 27(4):688—690. [17】秦保军,朱春玲.肋片管换热器管外三维流动与传热的 仍然任重道远。 参考文献: [I】 杨长威,姜爱华,周勤,等.肋片管式蒸发器的计算机辅 助设计[JJ.机电工程,2002,1 9(5):1—3. 【2】 陈维汉.板翅式换热器综合考虑传热、流动与结构的优 化设计[J】.化工装备技术,2004,25(1):27—32. [3】 郑钢,杨强.翅片管换热器最佳回路长度的仿真计算[J]. 制冷与空调,2006,6(4):48~5 1. [4] 董玉军,包涛,胡跃明,等.板式蒸发器换热性能的数值 模拟l:数学模型[J】.制冷空调与电力机械,2004,25(4): 10—13. [5 5J董玉军,包涛,胡跃明,等.板式蒸发器换热性能的数值 模拟2:结果及分析[J】_制冷空调与电力机械,2004,26(5) 16—21. 【6】 胡跃明,董玉军,周翔,等.人字形波纹板式蒸发器数值 模拟【J]_制冷与空调,2005,5(2):42—46. 【7】 董玉军,袁秀玲,包涛,等.湿工况下冷却空气型干式蒸 发器盘管的数值模拟和性能优化[J] 0冷与空调,2005, 5(2):19—23. [88] 席战利,曹小林,崔大光.翅片式蒸发器换热性能的数学 模型[J】.制冷,2006,25(2):65—68. 【9】 李永鹏,陈爱玲.船舶冷库蒸发器建模的MATLAB实现 [J】.青岛远洋船员学院学报,2004,25(2):9—14. [10J宣宇清,胡益雄.基于分布参数的房间空调蒸发器的数 学模型及其仿真研究fJ】扁0冷与空调,2004,4(3):32—35. 【1 1】程金强,梅宁,赵杰.风冷翅片管换热器传热特性研究【J]_ 热科学与技术,2008,7(2):120—124. [12】黄兴华,王启杰,王如竹.基于分布参数模型的满液式蒸 发器性能模拟【J1.上海交通大学学报,2004,38(7): 1l64一ll69. [13】邓敏锋,廖胜明,赵凤娇,等.多元平行流蒸发器数值模 拟与性能分析【JJ.建筑热能通风空调,2006,26(2): 14—18. 【14】邓斌,陶文铨,林澜.蒸发器流程布置的数值模拟研究与 分析[J1.制冷学报,2006,27(1):28—33. 数值模拟【J].暖通空调,2006,36(11):51—53. 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