哈雷釬焊板式換熱器
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                鋁泡沫填充在內管的套管換熱器內的流動和傳熱特性研究

                點擊:1858 日期:[ 2014-04-26 21:35:32 ]
                            鋁泡沫填充在內管的套管換熱器內的流動和傳熱特性研究                        付全榮,段滋華,張銥鈖,李 煜               (太原理工大學化學化工學院,山西太原 030024)     摘 要:對空氣流經鋁泡沫填充方形套管換熱器內管的流動和傳熱進行了試驗研究,通過數值模擬對其內部的壓力場、速度場和溫度場進行了描述,并和傳統的套管式換熱器進行了比較。結果表明:試驗結果與數值模擬結果符合較好。熱流量和壓降都隨孔密度或者流速的增大而增大。填充鋁泡沫后強化傳熱明顯,雖然壓降也大于空管,但通過對換熱器壓降和傳熱性能的綜合分析,得出填充鋁泡沫后換熱器的綜合性能比不填充泡沫金屬的普通套管換熱器更好。     關鍵詞:泡沫金屬;套管換熱器;強化傳熱     中圖分類號:TQ051. 5  文獻標識碼:A  文章編號: 1001-4837(2010)05-0001-05     do:i 10. 3969/.j issn. 1001-4837. 2010. 05. 001     1 引言     泡沫金屬是一種低密度的多孔介質,具有優良的熱學、力學、電學和聲學性能。其具有以下特點: (1)質量輕、強度高、硬度大; (2)有很大的比表面積,這使流體流過時可得到很大的接觸面積,將熱量傳遞給泡沫金屬固體骨架,從而儲存能量強化傳熱; (3)與流動方向相垂直的孔棱可將邊界層隔斷并使流體相互混合,強化流體湍動。當基于孔徑的雷諾數超過10時,流體流動進入過渡流區;超過100時流動類型屬于湍流[1]。在傳熱過程中熱彌散是必不可少的,文獻[2]研究顯示橫向摻混比縱向摻混更重要,因此湍流和彌散進一步強化了傳熱性能。此外,流體流經的泡沫通道是相互連通的,充分利用了所有的面積??梢钥闯?利用泡沫金屬可制成質量更輕、更加緊湊、傳熱效率更高的換熱器、電子裝置的散熱器等。文獻[3]研究指出扁平泡沫金屬不僅強化傳熱,而且提高了效率。泡沫金屬換熱器同傳統換熱器相比,熱阻幾乎減少了1/2。文獻[4]研究指出方形通道中插入泡沫后,壓降雖然有所增加,但熱流量提高了15倍。     目前,針對泡沫金屬填充方形套管換熱器的研究較少,普遍的做法是取換熱管的一部分,將其設置為等壁溫或等熱流邊界條件,這樣處理將不能獲得強化傳熱管對管外流體流動和傳熱的影響。文中對鋁泡沫填充方形套管換熱器內管內的流動和傳熱進行了試驗研究和數值模擬。     2 試驗方案     2. 1 試驗材料     圖1示出試驗所用2種開孔鋁泡沫材料,表1列出2種材料的流動參數。                   2. 2 試驗設備     圖2為試驗裝置示意圖。                   空氣經過壓縮機壓縮后進入儲氣罐,再通過背壓閥進入流量測量段,由玻璃轉子流量計(大流量流量計)以及旁通來控制空氣流量,然后空氣經過電加熱器加熱,被加熱的空氣進入試驗測試部分,試驗測試部分全長500 mm;內管為方管(42 mm×42 mm,厚4 mm);外管為圓管(Φ100mm),內管填充鋁泡沫(42 mm×42 mm)。熱空氣走方形套管換熱器的內管,冷卻水走環隙,由水槽提供,用玻璃轉子流量計(小流量流量計)控制流量。2種工質為逆流,工質的溫度用熱電偶進行測量,進出口壓差由壓差傳感器測量,以上數據由數據采集系統顯示。     3 數值模擬   采用GAMBIT 2. 3. 16建立整個套管換熱器的三維模型,采用FLUENT 6. 3. 2軟件對湍流情況下的整個套管換熱器的對流傳熱進行數值模擬。     3. 1 物理模型的選擇     數值模擬中求解器選擇穩態隱式分離求解器,湍流模型選擇k—ε雙方程模型,打開能量守恒方程。動量方程采用Forchheimer-extend-Darcy模型形式(見式(1)),通過與試驗結果比較采用文獻[5]提出的經驗公式(見式(2)),泡沫金屬區域的總體有效導熱系數keff由固體的導熱系數和流體的導熱系數的體積平均值計算(見式(3))。能量方程修改了導熱流量和過渡項,導熱流量使用有效導熱系數keff,過渡項包括多孔介質固體區域的熱慣量(見式(4))。                   3. 2 基本假設     換熱器內的傳熱過程包括:流體的熱傳導,泡沫金屬及內管管壁的熱傳導,固體相和流體相的對流傳熱。計算中采用如下假設: (1)文獻[6]指出當泡沫金屬溫度小于1500 K時,輻射傳熱僅占總傳熱量的5%左右。而本文最大溫度為473 K,因此不用考慮熱輻射; (2)泡沫孔隙率為常量,且泡沫金屬各向同性、連續均勻; (3)流動和傳熱均達到充分發展和穩定,文獻[7]指出同光管相比填充泡沫金屬管的入口段非常小,一般可以忽略。     4 數值模擬分析和試驗結果比較     4. 1 數值模擬分析                   從圖3可看出,對于壓降:未填充鋁泡沫的進出口段流動阻力很小,與泡沫金屬填充區相比,壓降幾乎可以忽略。鋁泡沫填充區隨著流動阻力的不斷增大,其壓力沿著流動方向逐漸的降低。對于流速:未填充鋁泡沫的進出口段管道中心流速逐漸增大,在到達泡沫金屬填充區后,流體流速在各個方向流速相等,流速大小與進口處的平均流速相等。這是由于泡沫金屬各向同性,孔隙結構分布均勻而引起的。                   圖4示出模擬試驗工況下,在不同位置處管內流體在橫向截面的速度分布??梢钥闯?在空氣入口段,隨流體向前運動,邊界層逐漸增厚,但在到達鋁泡沫填充區時,邊界層迅速減小。在鋁泡沫填充區出口處邊界層最薄,這說明與空管相比,鋁泡沫使流動更加均勻,邊界層更薄。                   圖5示出填充鋁泡沫后內管中心處熱空氣的溫度明顯降低,而空管中心處溫度幾乎沒有降低。圖6示出內管中熱空氣、碳鋼管、環隙中冷卻水沿長度方向的溫度分布??梢钥闯?在未填充鋁泡沫的區域熱空氣溫度變化很小,碳鋼管壁溫度與冷去水溫度接近。但在鋁泡沫填充區,熱空氣溫度明顯降低,碳鋼管壁溫度非常接近熱空氣溫度,這是由于空氣側對流傳熱系數顯著增大,鋁泡沫固體骨架的導熱系數較大引起的。                                  4. 2 試驗結果及與數值模擬比較     圖7示出鋁泡沫填充方管單位管長的壓降隨流速的增加呈指數增長,隨孔密度的增加而顯著增長,且隨流速的增大越明顯,表明流體阻力受流速的影響很大。通過比較,可見數值模擬的結果和試驗的結果十分接近,說明數值模擬的結果是正確的。                   圖8示出不同流速下2種鋁泡沫對換熱器總體換熱能力的影響??梢钥闯?熱流量隨流速的逐漸增大而單調遞增,隨孔密度的增大,其傳熱能力也增強,這是由于總傳熱面積增大及擾流增強導致。在鋁泡沫僅填充管程1/5體積的情況下,與光管的能力相比,換熱器的熱流量提高了3. 5倍以上。且可看出數值模擬結果比試驗結果高5%左右,兩者吻合較好。這是由于試驗中泡沫金屬固體骨架與管壁中間有空氣層,接觸不夠緊密產生接觸熱阻,而數值模擬忽略接觸熱阻導致。                    4. 3 換熱器性能綜合評價     在任何換熱器設計中必須綜合考慮傳熱性能和換熱器消耗能量的關系。文中壓降通過引入消耗泵功率W·(見式(5))和傳熱通過引入單位長度的熱流量(Q /L)來進行評價,最后通過引入性能因數I(見式(6))來對其綜合性能進行評價。          從表2可看出,與空管相比,填充鋁泡沫后壓降雖然有顯著增大,但其熱流量得到顯著提高,為空管的15倍左右,而且綜合考慮耗能和傳熱性能,其效率是空管的13倍左右。         5 結語     以熱空氣為工質對2種鋁泡沫填充方形套管換熱器內管的換熱進行了試驗研究,并通過數值模擬對其內部的壓力場、速度場和溫度場進行了描述,且試驗結果和數值模擬結果符合較好。結果表明通過添加泡沫金屬,雖然造成更多的壓力損失,但方形套管換熱器的總體換熱能力可以顯著增強。綜合考慮傳熱性能和換熱器消耗能量,與空管相比其效率可提高13倍左右。     參考文獻:略 符號說明: C2———內部阻力系數,1/m Da———達西數 F———慣性系數 H———泡沫金屬橫截面寬度,m Jj′———組分的擴散流量,kg/m2 K———滲透率,m2 L———泡沫金屬長度,m PPI———泡沫金屬每英寸上孔的數目 Q———傳熱速率,W ReH———基于滲透率的雷諾數 Shf———流體焓的體積源項,J/m3 Shs———固體焓的體積源項,J/m3 Vf———流體的體積流量,m3/s W·———泵消耗功率,W hf———流體的焓,J/kg hs———固體骨架的焓,J/kg keff———有效導熱系數,W /(m·K) kf———流體的導熱系數,W /(m·K) ks———固體的導熱系數,W /(m·K) p———壓降,Pa Δp———壓差,Pa u———流速,m /s ε———孔隙率 μ———動力粘度,Pa·s υ———運動粘度,m2/s ρf———流體的密度,kg/m3 τik———應力張量,J 1/α———粘性阻力系數,1/m2
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