處理量4500kgh二硫化碳精餾系統(tǒng)—再沸器設(shè)計(jì)【過程裝備與控制工程含1張CAD圖】
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Applied Thermal Engineering 107（ 2016） 612-624目錄列表可在 ScienceDirect應(yīng)用熱工學(xué)期刊主頁(yè)： www.elsevier.com/locate/apthermeng 研究論文翅片管換熱器熱接觸程度的影響：數(shù)值分析Shobhana辛格 ?，KimS?rensen，Thomas J. Condra丹麥奧爾堡大學(xué)能源技術(shù)系， Pontoppidanstr ?de101 ， 9220 Aalborg強(qiáng)調(diào)? 數(shù)值研究了翅片和管之間的熱接觸面積的意義。? 進(jìn)行了基于有限元方法的三維穩(wěn)態(tài)建模。? 模擬了與湍流耦合的共軛傳熱機(jī)理。? 估計(jì)熱接觸面積的程度對(duì)整體性能的影響。? 結(jié)果為不同熱接觸面積的物理現(xiàn)象提供了見解。a r t i c l e i n f o文章歷史：2015年 10月 30日收到2016年 5月 14日修訂2016年 7月 3日接受2016年 7月 5日在線提供關(guān)鍵詞：翅片管式換熱器熱接觸面積穩(wěn)態(tài)數(shù)值模擬共軛傳熱整體傳熱系數(shù)摘 要目前的工作旨在調(diào)查熱交換器中翅片和管之間熱接觸面積的重要性。 研究選擇的換熱器類型是液 - 氣翅片和管式換熱器。 研究了基于翅片和管之間的不同程度的熱接觸的四種不同情況，即 I， II， III和 IV。 情況 -1翅片和管之間的熱接觸面積為 100％，作為案例 -II， III和 IV的參考，其熱接觸面積分別約為 70％， 50％和35％。 針對(duì)所研究的不同案例，開發(fā)了基于有限元法（ FEM）的三維（ 3D）穩(wěn)態(tài)數(shù)值模型。 模擬結(jié)合湍流的共軛傳熱機(jī)制來闡明溫度和速度分布。 為了開發(fā)一個(gè)具有理想物理現(xiàn)象的簡(jiǎn)化模型，本研究?jī)H模擬了鰭上的氣體流動(dòng)。 換熱器的性能根據(jù)總傳熱系數(shù)， Colburn j系數(shù)，流阻系數(shù)和效率指標(biāo)來表征。 通過數(shù)值模擬獲得的結(jié)果可用于檢查熱接觸程度的影響并比較不同情況下?lián)Q熱器設(shè)計(jì)的性能。 對(duì)比分析表明翅片和管之間的熱接觸面積對(duì)整體性能的顯著影響。 在案例研究中發(fā)現(xiàn)案例 I具有更高的總傳熱系數(shù) 47.332 W /（ m\K），更高的效率指數(shù) 9.131和更低的流阻系數(shù) 0.123，并突出了翅片之間完美熱接觸的需求和管以滿足基于應(yīng)用的需求。?2016 Elsevier Ltd.保留所有權(quán)利。1. 介紹熱交換器是熱能系統(tǒng)中最常見的部件。 余熱回收技術(shù)廣泛地使用熱交換器來利用否則將會(huì)損失的低等級(jí)熱量 [1]。 已經(jīng)研究了多種具有新穎設(shè)計(jì)以增強(qiáng)工作流體之間的熱傳遞的換熱器。 選擇合適的熱交換器設(shè)計(jì)是基于應(yīng)用技術(shù)的關(guān)鍵步驟。 翅片和管熱?通訊作者。電子郵件地址： ssi@et.aau.dk （ S. Singh ）。由于許多工業(yè)應(yīng)用中的傳熱表面被延伸得最廣泛，例如廢熱回收裝置，加熱，通風(fēng)以及空調(diào)和制冷系統(tǒng) [2]。 然而，在熱交換器設(shè)計(jì)中使用翅片會(huì)增加影響傳熱機(jī)制的設(shè)計(jì)變量的數(shù)量，從而使分析變得更加困難。 此外，翅片管換熱器的設(shè)計(jì)通常受溫度與壓力損失之間的折衷影響。 出于這些原因，設(shè)計(jì)人員不得不確定有影響力的設(shè)計(jì)參數(shù)并預(yù)測(cè)其對(duì)性能的影響。http://dx.doi.org/10.1016/j.applthermaleng.2016.07.022 1359-4311 /?2016 Elsevier Ltd.保留所有權(quán)利。S. Singh 等人 / Applied Thermal Engineering 107（ 2016 ） 612-624 613文獻(xiàn)中有幾項(xiàng)研究分析了翅片管換熱器各種設(shè)計(jì)參數(shù)的影響。 Romero-Méndez等人。 [3] 通過數(shù)值計(jì)算和流動(dòng)可視化研究了單排翅片管換熱器中翅片間距的影響，并總結(jié)了翅片間距對(duì)總體努塞爾數(shù)和壓降的強(qiáng)烈影響。 Mon和 Gross[4] 研究了翅片間距對(duì)四排環(huán)形翅片管束交錯(cuò)排列的影響，并將結(jié)果與 現(xiàn)有的相關(guān)性進(jìn)行了比較。 Erek等人 [5] 數(shù)值研究了散熱片之間的距離對(duì)板翅式和管式換熱器的傳熱和壓降的影響，并發(fā)現(xiàn)在下游區(qū)域放置翅片管可以積極地影響傳熱。 另外，唐等人。 [6] 通過實(shí)驗(yàn)研究了 9種不同數(shù)量的管排和管直徑的翅片管式換熱器，以確定空氣側(cè)傳熱和流阻特性。 他們得出結(jié)論認(rèn)為，帶有鰭片的熱交換器比具有渦流發(fā)生器和扁平翅片的熱交換器具有更好的性能。翅片管在熱交換器中的基本結(jié)構(gòu)涉及在管上安裝專門設(shè)計(jì)的翅片。 最佳做法是放置翅片底座，使翅片管整體連接到翅片材料上，從而使翅片和管之間的熱接觸面積更大。 不同的機(jī)械方法，包括鍍鋅，鋁或鋼帶，螺旋或螺旋纏繞被用于將管與翅片配對(duì)[7]。 大多數(shù)商用翅片式和管式換熱器設(shè)計(jì)用于在特定應(yīng)用目的下所需的系統(tǒng)流體和部件的特定操作溫度和壓力限制。 例如，通常在氣冷式換熱器中使用細(xì)管，其中翅片和管的幾何形狀以及附著方式經(jīng)常根據(jù)應(yīng)用而改變，例如化學(xué)生產(chǎn)設(shè)備，煉油廠和鑄造廠[7]。 翅片和管之間的接觸主要取決于管和翅片的材料以及用于將翅片基座固定到管上的機(jī)械方法。 翅片和管之間的不適當(dāng)接觸產(chǎn)生難以估計(jì)并且影響熱交換器的翅片和管之間的熱傳遞的阻力[8,9].文獻(xiàn)中提供了在翅片管換熱器中實(shí)驗(yàn)和數(shù)值測(cè)量熱接觸阻力的研究[8–12]。 但是，關(guān)于觸點(diǎn)間隙電阻的研究還很少。 采用實(shí)驗(yàn)方法測(cè)量制造過程中擠出雙金屬片管中的接觸和間隙阻力[13]。 翅片和管之間的熱接觸電阻經(jīng)常被忽略，因此非常有限的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可用于提供見解[14]。熱交換器中接觸電阻對(duì)總熱阻的貢獻(xiàn)并不總是可以忽略的，特別是當(dāng)翅片和管子機(jī)械結(jié)合時(shí)（如基于材料和應(yīng)用的焊接和焊接）。 Cristoph等人對(duì)制冷換熱器中的翅片管接口進(jìn)行了相關(guān)分析。[15]。 他們通過切片和顯微鏡檢查證實(shí)了分析結(jié)果，并得出結(jié)論：在典型的操作條件下，由于不良的翅片管接觸引起的阻力可能比空氣側(cè)阻力高12％。 他們進(jìn)一步得出結(jié)論，鋁釬焊技術(shù)的建設(shè)可以消除這種接觸電阻。 Jannick等人[16] 與機(jī)械結(jié)合的翅片管換熱器相比，釬焊換熱器的平均容量提高1.5％。 管和翅片之間的完美接觸可以降低接觸電阻并提高傳熱性能。機(jī)械方法很可能由于不規(guī)則而留下空隙接口 [11] 并改變翅片和管之間的接觸面積。 在換熱器操作中，由于兩個(gè)主要原因，在空氣占據(jù)的翅片和管的界面處的間隙可能是非常有意義的。 首先，氣隙會(huì)通過干擾翅片和管之間的導(dǎo)熱傳導(dǎo)而導(dǎo)致翅片的傳熱能力下降 [12]。 其次，氣隙可以產(chǎn)生允許通過對(duì)流傳熱的流體路徑。 此外，在流體流動(dòng)的途中由氣隙產(chǎn)生的湍流可能影響鰭片側(cè)的整體流動(dòng)剖面。 時(shí)間間隔內(nèi)的污垢會(huì)降低傳熱能力。 因此，氣隙會(huì)嚴(yán)重影響整個(gè)換熱系數(shù)和熱交換器設(shè)計(jì)的性能。 由于機(jī)械組裝翅片管式換熱器的廣泛使用，氣體或氣體域液體翅片管內(nèi)管壁內(nèi)管外管入口出口下標(biāo) gl f t w i o進(jìn)出密度（ kg / m\）氣體動(dòng)力粘度（Pa s）湍流耗散率（m \/ s\）邊界層距墻壁的距離（m）wq l e d希臘的象征（ W / m\）流速（ m / s）平均速度矢量（m / s）總傳熱系數(shù)（W / m \K）Qu u U表面積（m \）（m \）恒壓比熱容（J / kg K）直徑（m）氣體域水力直徑（m）體力矢量（N / m \）對(duì)流換熱系數(shù)（W / m \K）Colburn j因子（無(wú)量綱）導(dǎo)熱系數(shù)（W / m K）湍動(dòng)能（m \/ s\）vonKármá n常數(shù)長(zhǎng)度（m）平均努塞爾數(shù)（無(wú)量綱）壓力（Pa）橫跨氣體區(qū)域的壓差（Pa）潤(rùn)濕周長(zhǎng)（m）熱通量矢量（W / m \）平均雷諾數(shù)（無(wú)量綱）Prandtl數(shù)（無(wú)量綱）溫度（K）平均溫度（K）對(duì)數(shù)平均溫差（K）交換總功率（W）AA\C\d D\Fhjkk\合資公司LNu p Dp Pq Re Pr T TDTLMQ\命名法614 S. Singh 等人 / Applied Thermal Engineering 107（ 2016 ） 612-624制冷和家用空調(diào)系統(tǒng) [16]，需要對(duì)這些熱交換器設(shè)計(jì)中的傳熱及其與不同參數(shù)的關(guān)系有深入的了解。在目前的工作中，努力數(shù)值分析翅片和管之間的熱接觸面積對(duì)液體 - 氣體翅片和管式換熱器設(shè)計(jì)的性能的影響。 該部分的設(shè)計(jì)更詳細(xì)的討論2。 制造翅片的獨(dú)特形狀以減少使用的材料，因此成本通常會(huì)引起工程挑戰(zhàn)。 在制造期間，翅片與管連接翅片周圍的不均勻配合會(huì)留下氣隙和不均勻的接頭，從而導(dǎo)致翅片與管之間的可變熱接觸面積。 翅片和管之間的熱接觸面積的這種變化對(duì)于單個(gè)翅片性能可能是至關(guān)重要的; 因此，應(yīng)該進(jìn)行調(diào)查以揭示其對(duì)整體表現(xiàn)的影響。 研究了根據(jù)所選翅片管式換熱器設(shè)計(jì)中熱接觸程度的四種不同情況。 三維穩(wěn)態(tài)數(shù)值模型被開發(fā)并用于表征每種情況下的熱和機(jī)械性能。 該研究有助于更好地了解整體性能和熱接觸面積與受影響的物理現(xiàn)象的見解之間的關(guān)系。 此外，它還可以幫助研究工程師，設(shè)計(jì)人員以及制造商選擇合適的設(shè)計(jì)以實(shí)現(xiàn)最佳熱交換器操作。本文的結(jié)構(gòu)如下：部分 2 說明了熱交換器的設(shè)計(jì)和不同情況下用各自的原理圖進(jìn)行了調(diào)查部分 3 解釋了整個(gè)模型的發(fā)展，包括計(jì)算幾何，控制方程和邊界條件。部分 4 概述了用于解決數(shù)值模型的模擬程序。部分 5 介紹并討論了從數(shù)值模型中獲得的結(jié)果。部分 6 根據(jù)實(shí)際應(yīng)用要求，對(duì)該模型進(jìn)行總結(jié)和簡(jiǎn)要評(píng)估，從而得出結(jié)論。2. 調(diào)查了換熱器設(shè)計(jì)和案例目前工作分析的換熱器設(shè)計(jì)是具有扁平翅片和圓形管的液態(tài)氣體翅片管型。 這些管彼此之間以固定的距離放置，并且在兩個(gè)方向上以順流方式排列 - 沿著流動(dòng)并穿過流動(dòng)。 翅片從兩側(cè)連接到一組兩個(gè)管，在兩者之間留有固定間隙。 本文研究的翅片管換熱器設(shè)計(jì)的典型結(jié)構(gòu)如圖所示 圖。 1。 共軛傳熱現(xiàn)象放置在熱交換器的運(yùn)行期間。 它包括從流動(dòng)流體到翅片表面和外管壁表面的對(duì)流熱傳遞，以及通過外壁同時(shí)傳導(dǎo)熱傳遞到管內(nèi)壁以及通過翅片到管。目前的調(diào)查包括總共四種不同的情況 - I，II，III和IV，這些情況是根據(jù)翅片管式換熱器設(shè)計(jì)中的熱接觸面積 表格1。 為了便于操作和比較，參考案例I中的換熱器幾何形狀盡可能簡(jiǎn)單，翅片與管之間的熱接觸面積大約為100％。 案例I的熱交換器幾何尺寸根據(jù)實(shí)際的翅片管式換熱器原型（ 圖。1），并用于為目前的調(diào)查建立基線幾何。 圖2示出了參考案例I的單個(gè)熱交換器設(shè)計(jì)單元的示意圖。 有序地重復(fù)布置這一單元，為特定應(yīng)用構(gòu)建了完整的翅片管式換熱器配置。 單個(gè)單元的指定尺寸如圖所示 表2。 應(yīng)該指出的是，案例 -II，III 和IV的設(shè)計(jì)參數(shù)與參考案例-I相同。 唯一的區(qū)別是通過不同程度的翅片嵌入到管上而改變的熱接觸面積。 不同情況下的熱接觸面積的詳細(xì)情況如圖所示 圖3a。 在情況I中，翅片安裝在管上以使翅片基座和外管壁表面成為理想的熱接觸，而在情況-II，III和IV中，可以看到熱接觸區(qū)域被氣隙中斷。 翅片和管的不同設(shè)計(jì)，構(gòu)造和制造方法可能導(dǎo)致不同的氣隙拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。 在本文中，翅片和管子界面處產(chǎn)生的氣隙形狀完全取決于翅片和管子的幾何設(shè)計(jì)特征。 圖3b 顯示了情況-II，III和IV中氣隙的幾何形狀。3. 模型開發(fā)穩(wěn)態(tài)三維數(shù)值模型是針對(duì)四個(gè)不同的情況開發(fā)的 - I，II，III和IV2 (表格1）。 盡管根據(jù)翅片和管之間的熱接觸面積調(diào)查的案例不同，但可以應(yīng)用類似的物理機(jī)制和模型構(gòu)建步驟。 在每種情況下都有類似的建模過程，本文僅描述參考案例I的模型開發(fā)和數(shù)值過程。3.1. 計(jì)算幾何對(duì)于涉及管內(nèi)流體蒸發(fā)或冷凝的工業(yè)應(yīng)用而言，在內(nèi)管壁溫度不變的情況下，假設(shè)內(nèi)管壁溫度恒定，只有在翅片上流動(dòng)的流體被模擬。 在現(xiàn)在的數(shù)值模擬中使用的三維計(jì)算幾何體顯示在 圖 4。 幾何有三個(gè)不同的領(lǐng)域：分別為氣體，鰭和管。 域的尺寸根據(jù)下面的熱交換器單位選擇 圖 2。 為了保持簡(jiǎn)單和最小的計(jì)算 -表格 1基于翅片和管之間熱接觸面積的情況總結(jié)。案件調(diào)查 熱接觸面積（ m\） 熱接觸面積（％）（大約）圖 1.翅片管換熱器原型的圖示。我（參考案例） 10.63 X 10- 5 100II 7.43 X 10- 5 70III 5.24 X 10- 5 50IV 3.70 X 10- 5 35?????rkTe·r t回覆r e1柯e2柯 e TS. Singh 等人 / Applied Thermal Engineering 107（ 2016 ） 612-624 615W\犳δ \d\ΔT L\d\ξ \ξ\以及在高雷諾數(shù)下的氣體壓力場(chǎng)。 該模型使用標(biāo)準(zhǔn)雙方程ke湍流模型來模擬流動(dòng)行為[17]。 選擇ke模型是因?yàn)樗梢院芎玫靥幚韽?fù)雜幾何體周圍的大部分流動(dòng)問題，并且可以提供足夠準(zhǔn)確的結(jié)果，并具有良好的收斂速度和相對(duì)較低的內(nèi)存要求。我們做出以下假設(shè)來簡(jiǎn)化建模和計(jì)算過程：穩(wěn)態(tài)流動(dòng)和傳熱。 溫度依賴性熱特性。 恒定的內(nèi)管壁溫度。熱接觸電阻可忽略不計(jì)（即由于表面粗糙度而沒有間隙）。假設(shè)沒有周期性邊界條件（即該研究?jī)H適用于熱交換器配置的唯一第一翅片）。質(zhì)量平衡與氣體流動(dòng)的動(dòng)量平衡的耦合受 RANS方程支配 [17,18] 它們表示為：r ·u ≠ 0 e1T\-pI + l\ru +（ +） \+ F e2Tke湍流模型也解決了湍流動(dòng)力學(xué)問題LT 能量（k \）和湍流耗散率（e）。 描述氣體中k \和e的微分輸運(yùn)方程為圖 2.用于參考案例 -I的翅片管式換熱器的單個(gè)單元的示意圖。表 2參考案例 -I的熱交換器幾何單元的尺寸。[16–18]:qu·rk\= r·l +lT \rk埃 爾 + P\-qe e3T描述 符號(hào) 值 單元翅片的長(zhǎng)度 L\ 145.0 毫米曲 elL T\\lC e\ C\ 4其中生產(chǎn)項(xiàng)（ P\）和湍流粘度（ 1\）定義為：P\= 1\ru：\ru + +\ e5Tk21\= qCl\ e6T模擬成本，模擬具有翅片厚度（ d\）和管子長(zhǎng)度（ L\）的單個(gè)熱交換器配置單元，其減小到原始值的一半。 對(duì)稱邊界用于表示對(duì)稱平面并生成鏡像相鄰幾何。 此外，為了捕獲熱交換器幾何形狀的入口，出口和兩側(cè)的流動(dòng)剖面，模擬氣體域的長(zhǎng)度約為。 翅片長(zhǎng)度的 1.03倍（ L\），寬度約。 鰭片寬度的 1.18倍（ W\）和厚度約。 管長(zhǎng)的 0.5倍（ L\）。 氣體區(qū)域也分別代表熱流體從哪里進(jìn)入和離開該區(qū)域的入口和出口邊界平面。 氣體區(qū)域中的氣體流動(dòng)在負(fù) y方向上。 選擇具有恒定物理性質(zhì)的鋼作為固體材料來模擬翅片和管道區(qū)域。 另一方面，選擇具有溫度依賴特性的理想氣體來模擬氣體域。3.2. 治理方程式ke湍流模型用于求解雷諾平均Navier-Stokes（RANS）方程的平均速度其中 Cl， C\， C\， rk和 r\分別是值分別為 0.09,1.44,1.92,1.0 和 1.3的模型常數(shù)，用于數(shù)值求解模型 [19].就氣體域內(nèi)的傳熱而言，能量傳輸是由對(duì)流和傳導(dǎo)共同驅(qū)動(dòng)的; 然而，基于流體的熱性質(zhì)和假設(shè)的入口速度，在本研究中它主要由對(duì)流支配。 描述氣體傳熱的微分方程和求解溫度場(chǎng)的方程為：qC\u·rT + r·q = Q e7T其中q = -krT e8T翅片和管區(qū)域的傳熱主要由傳導(dǎo)決定，因此受熱傳導(dǎo)的傅立葉定律支配。 應(yīng)該注意的是，由于溫差小，輻射率低，光束長(zhǎng)度小，忽略了通過輻射的熱傳遞。 翅片管區(qū)域的傳熱方程表示為以下節(jié)能形式：qC\u·rT + r·q = Q e9T?????? r · t k -翅片的寬度 W\ 32.0 毫米翅片的厚度 d\ 2.0 毫米翅片間隙的寬度 d\ 7.0 毫米管的內(nèi)徑 d\ 30.0 毫米管的外徑 d\ 38.0 毫米管的長(zhǎng)度（在兩個(gè)翅片之間） L\ 15.0 毫米管間距（中心到中心） d\ 77.0 毫米管節(jié)距（垂直） nv 15.0 毫米管節(jié)距（水平） N\ 16.0 毫米616 S. Singh 等人 / Applied Thermal Engineering 107（ 2016 ） 612-624圖 3a。 基于翅片和管之間的熱接觸面積的程度來研究不同的情況。案例二 案例三 案 例四圖 3b。 （ a）情況 -II，（ b）情況 -III和（ c）情況 -IV的翅片和管熱接觸之間的氣隙。3.3. 邊界條件為了提出一個(gè)明確的問題，除了初始條件外，還要考慮合適的邊界條件來解決治理問題方程。 為了使分析更簡(jiǎn)單，不使用周期性邊界條件。 但是，使用初始的速度和溫度條件。 初始速度設(shè)置為0 m / s，這對(duì)應(yīng)于氣體區(qū)域中沒有氣體流動(dòng)，初始溫度設(shè)置為氣隙 氣隙 氣隙1e T1e T?樂? 出 e 1=2 inS. Singh 等人 / Applied Thermal Engineering 107（ 2016 ） 612-624 617r k \· n = 0 17r e · n = 0圖 4.數(shù)值模型中使用的計(jì)算幾何。3.3.4 。 對(duì)稱邊界條件為了減少目前問題中的計(jì)算量，僅使用入口，出口和壁邊界條件模擬熱交換器幾何形狀的一半。 剩余邊界被設(shè)置為對(duì)稱邊界平面。 傳熱中的對(duì)稱邊界的假設(shè)使邊界上的熱通量為零，這意味著邊界兩側(cè)的溫度相等。 本模型中使用的對(duì)稱邊界條件可寫為：- n ·q = 0 \室溫在T = 298.15K的所有三個(gè)領(lǐng)域（鰭，管u·n = 0e18T和氣體域），對(duì)應(yīng)于在初始狀態(tài)下不傳熱。3.3.1. 入口邊界條件在流場(chǎng)入口處，溫度和速度邊界條件如下：T = T\ e10Tr k \· n = 0 19r e · n = 03.4。 換熱器的性能為了評(píng)估熱性能，包括熱傳導(dǎo)性能，溫度和壓力損失，以下性能參數(shù)進(jìn)行數(shù)值計(jì)算。u ? 0v?-u\w ? 0=; e11T 3.4.1 。 整體傳熱系數(shù)整體傳熱系數(shù)（ U）是評(píng)估換熱器性能的重要參數(shù)。 它可以定義為幾何域之間交換的總功率3.3.2 。 墻邊界條件翅片，管和氣體域之間的接觸表面是熱交換所在的邊界。 在現(xiàn)在每單位傳熱表面積每單位溫差[20].Q模型，應(yīng)用壁功能邊界條件，其模擬流量變量具有高梯度的壁附近的薄區(qū)域。 它通過分析計(jì)算壁面處的非零流體速度來彌補(bǔ)湍流區(qū)域與湍流區(qū)域之間的差距U t A\DTLN3.4.2. Colburn j因子e20T因此墻壁降低了計(jì)算需求 [17].u·n = 0 e12Tr k \·n = 0 \e 氣體側(cè)傳熱特性通常由 Colburn j因子（ j） [9,21] 這是無(wú)量綱傳熱系數(shù)的量度。怒江?\3 = 4\3 = 2\jv dwe13T jRePr1=3e21T假定內(nèi)管壁溫度恒定，溫度邊界條件設(shè)定為：3.4.3. 流阻系數(shù)T = T\ e14T機(jī)械性能可以通過流動(dòng)阻力 -作為總壓力損失與流動(dòng)動(dòng)能的比率。3.3.3 。 出口邊界條件在本模型中，出口邊界條件設(shè)置為Dp?1 q u2（ LG\ e22T代表通過出口對(duì)流支配的熱量傳遞的氣體域。 法線方向的溫度梯度為零。 出口處的邊界條件可以用熱通量來表示為：- n ·q = 0 e15T壓力邊界被設(shè)置為指定可忽略的法線2克在 Dh3.4.4. 效率指數(shù)換熱器設(shè)計(jì)的性能可以通過效率指標(biāo)來評(píng)估 [22] 其被定義為平均努塞爾數(shù)與壓力損失系數(shù)（ K\）的比率。對(duì)出口流量的壓力如下： 效率指數(shù) 怒江 怒江 23Tp p 16?公斤 ?（ DPqgu2\ e應(yīng)該注意的是，在氣體出口處沒有假設(shè)流體的切向速度和回流。齊次 Neumann條件適用于出口處的湍流變量： 3.4.5. 地區(qū)善良因素為了評(píng)估熱交換器的相對(duì)性能（具有不同的熱接觸面積），無(wú)量綱參數(shù) -Tf( \2克英寸 d\j618 S. Singh 等人 / Applied Thermal Engineering 107（ 2016 ） 612-624eter稱為 '區(qū)域優(yōu)勢(shì)因素 [23,24] 被使用，其被定義為：Nu RePr\f ? Dp1曲 2 Lge24T4. 數(shù)值程序和解決方案為 I， II， III和 IV情況開發(fā)的數(shù)值模型是用控制方程獨(dú)立求解的（方程式。 (1)–(9)），初始值和邊界條件（（方程 (10)–(19)）。 為了解決耦合 RANS和湍流方程，使用基于有限元的商業(yè)多物理場(chǎng)仿真軟件 COMSOL 5.1[25]。 對(duì)所有情況都進(jìn)行網(wǎng)格獨(dú)立性研究，并監(jiān)測(cè)整個(gè)氣體區(qū)域溫度變化的變化。 圖 D.1在附錄 D中顯示了氣體域溫度差異隨情況一的網(wǎng)格元素?cái)?shù)量的變化。 分別為 I， II， III和 IV分別選擇 168,902,194,294,199,874 和 232,523個(gè)元素的網(wǎng)格。 選定的網(wǎng)格被認(rèn)為足夠精細(xì)，可以在合理的時(shí)間范圍內(nèi)準(zhǔn)確地解決重要的物理現(xiàn)象。 根據(jù) ke湍流模型（具有壁面函數(shù)），可以測(cè)量從墻壁到相鄰網(wǎng)格點(diǎn)的墻壁的無(wú)量綱距離，作為粘滯單位的壁面升力，應(yīng)該始終低于 11.06[26,27]。 在目前的研究中，我們對(duì)網(wǎng)格進(jìn)行了細(xì)化，特別是在靠近墻壁和翅片與管之間的界面處，在墻上得到 11.06的值，這是以可靠的方式解決梯度所需的。 可以看到情況 I的計(jì)算幾何的有限元網(wǎng)格以及氣隙內(nèi)的精細(xì)邊界層網(wǎng)格 圖 E.1 和 E.2在附錄 E.模擬在 64位上執(zhí)行雙Intel \Core-i7處理器操作系統(tǒng)，RAM 8 GB，2.8 GHz，計(jì)算時(shí)間接近 30分鐘，達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。 對(duì)于基于系統(tǒng)計(jì)算能力調(diào)查的不同情況，這個(gè)時(shí)間可能會(huì)有所不同。 表3列出用于數(shù)值求解參考案例I的計(jì)算模型的邊界值并獲得初步結(jié)果。 從包含性能參數(shù)的數(shù)值模型（方程(20)– (24)）進(jìn)行后處理以更好地理解和可視化基本現(xiàn)象學(xué)行為（溫度和速度分布）。 類似的數(shù)值程序被用于研究具有不同程度的翅片和管之間的熱接觸面積的情況-II，III和IV。 描述獲得數(shù)值解的過程的計(jì)算算法可以參見 附錄F.5. 結(jié)果與討論目前的數(shù)值研究主要集中在研究翅片和管之間熱接觸面積的變化程度和翅片管換熱器設(shè)計(jì)的整體性能的影響。 本節(jié)描述了針對(duì)不同情況獲得的數(shù)值結(jié)果。 由于在目前的工作中模擬了一半的換熱器幾何結(jié)構(gòu)，所以只給出了模擬幾何結(jié)構(gòu)的一半結(jié)果，如圖所示 圖4.表 3邊界值用于數(shù)值求解模型。描述 符號(hào)值 單元內(nèi)管壁溫度 T\ 453.15 K進(jìn)氣溫度 T\ 573.15 K進(jìn)氣速度 U\ 9.60 m / s出口氣體壓力（相對(duì)于參考?jí)毫Γ?p出 0.0 霸（ a）情況 -I，（ b）情況 -II，（ c）情況 -III和（ d）情況 -IV。在氣域中的速度場(chǎng)。5.1. 速度和傳熱特性圖5（a） - （d）分別給出了I，II，III和IV三維氣體域的速度大小。 在翅片和管接觸區(qū)附近形成高速區(qū)，而在管和管的下出口側(cè)之間形成幾乎零速或死區(qū)。 原因歸因于這些區(qū)域中的氣體再循環(huán)，這反過來又提供對(duì)對(duì)流傳熱的阻力。 從所有情況來看，觀察到翅片和管之間的熱接觸面積的程度僅僅略微影響速度場(chǎng)。 熱接觸程度對(duì)流動(dòng)剖面的影響可以進(jìn)一步在圖中顯示 圖6（廣告）。 由于翅片和管之間的有限熱接觸而產(chǎn)生的氣隙似乎顯著地影響流動(dòng)曲線。圖7（a） - （d）顯示了不同情況下所研究的三維翅片管區(qū)域的溫度分布。 該圖表明，在翅片和管子的接觸表面附近的區(qū)域中，從翅片傳導(dǎo)到管壁的熱量存在很大的溫度梯度。 隨著翅片和管之間熱接觸面積的減小，靠近翅片和管接觸的溫度梯度傾向于增加; 然而，這受到有限的熱接觸的抵消并減少了傳遞的總熱通量。 此外，在情況III和IV中，遠(yuǎn)離翅片和管界面的翅片表面上的較高溫度降低了從氣體到翅片的熱傳遞。 鰭和管的每單位可用傳熱表面積的熱交換面積的程度對(duì)交換的總熱量的影響顯示在 圖8。 結(jié)果對(duì)于翅片和管之間的熱接觸區(qū)域的改變是明顯的，這不僅影響對(duì)流熱流，而且由于有限的接觸導(dǎo)致翅片和管界面處的溫度變化而影響導(dǎo)熱傳導(dǎo)。 對(duì)于情況I，較低的翅片表面溫度是可見的，這增強(qiáng)了熱交換速率和交換的總熱通量。S. Singh 等人 / Applied Thermal Engineering 107（ 2016 ）612-62447.332 47.00845.19443.431619（ a）情況 -I，（ b）情況 -II，（ c）情況 -III，以及（ d）情況 -IV的翅片表面附近的速度平面。5100.05000.04900.04800.04700.04600.00% 20% 40% 60% 80% 100%熱接觸面積（％）圖 8.翅片和管之間的熱接觸面積對(duì)交換的總熱通量的影響。49.0048.0047.00（ a）情況 -I，（ b）情況 -II，（ c）情況 -III和（ d）情況 -IV的翅片和管區(qū)域中的溫度分布。5.2。 績(jī)效評(píng)估熱交換器中兩種流體之間的熱傳遞通過分隔兩種流體的壁所提供的阻力來減輕。 因此，需要在設(shè)計(jì)熱交換器設(shè)計(jì)時(shí)計(jì)算總傳熱系數(shù)值。 在本研究中，由氣隙產(chǎn)生的熱阻46.0045.0044.0043.0042.0041.00 I II III IV很難計(jì)算，因?yàn)槲醋R(shí)別的氣體流動(dòng)行為及其對(duì)氣隙內(nèi)傳熱對(duì)流的影響。 因此，不同程度的熱接觸面積對(duì)整個(gè)熱交換器設(shè)計(jì)的熱效應(yīng)以及機(jī)械性能的影響可以用不同的參數(shù)進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，例如整體傳熱系數(shù)，Colburn j系數(shù)，流阻系數(shù)和效率指數(shù)。圖9顯示了所研究的每個(gè)案例的總傳熱系數(shù)的計(jì)算值。 可以看出，由于在情況-II，III和IV中通過有限的熱接觸面積降低熱量傳遞，總傳熱系數(shù)降低。 同圖 9.翅片和管之間的熱接觸面積對(duì)總傳熱系數(shù)的影響。熱接觸面積減小，氣隙面積增加，這進(jìn)一步有助于傳熱阻力。 因此，參考案例-I具有47.332W / m\K的總傳熱系數(shù)的最高值，接著是具有47.008,45.194和43.431W / m \K的情況-II，III和IV，分別。Colburn j因子是使用方程式為每個(gè)案例計(jì)算的。 (21) 并進(jìn)行比較分析。 圖10顯示的程度的影響案例四案例三案例二案例我整體傳熱系數(shù)（W / m\K）交換熱通量（W / m\）620 S. Singh 等人 / Applied Thermal Engineering 107（ 2016 ） 612-6240.0090.00850.0080.00750.0070.00870.00830.00790.0076I II III IV10.008.006.004.002.000.009.1318.0377.200 6.787I II III IV圖 10.翅片和管之間的熱接觸面積對(duì) Colburn j因子的影響。圖 12.翅片和管之間的熱接觸面積對(duì)效率指數(shù)的影響。Colburn j因子上翅片和管之間的熱接觸面積。 從案例 -I到案例 -IV，熱接觸面積減少了 2.87倍， Colburn j因子相對(duì)于案例 I減少了大約 1.14倍。 由于翅片和管之間的熱接觸面積的程度降低，結(jié)果顯然表明傳熱性能下降。對(duì)壓力損失的影響可以通過流阻系數(shù)（方程 (22)). 圖 11顯示熱接觸面積對(duì)流阻系數(shù)的數(shù)值計(jì)算的影響。 可以看出，翅片和管之間的熱接觸面積減小，氣體區(qū)域上的壓力損失增加，導(dǎo)致對(duì)應(yīng)的流動(dòng)阻力系數(shù)更高。 例如，從案例 I到案例 IV，熱接觸面積減少了65.17％，流阻系數(shù)增加到 23.48％。 由于翅片和管之間的有限的熱接觸，氣體流過，它歸因于可用的附加流動(dòng)區(qū)域（氣隙）。 附加的流動(dòng)區(qū)域?qū)е職怏w流動(dòng)的附加摩擦力并因此增加壓力損失。 參考案例 -I具有較低的流阻系數(shù)值，可通過優(yōu)化設(shè)計(jì)進(jìn)一步降低流阻系數(shù)，從而為研究人員提供改進(jìn)的設(shè)計(jì)可能性。熱交換器的熱性能和機(jī)械性能可以根據(jù)公式（ 1）中定義的效率指數(shù)一起量化。 (23)。 通常，它代表熱交換器設(shè)計(jì)中傳熱和壓力損失之間的折衷，因此效率指數(shù)的更高值始終是可取的。 圖12說明了翅片和管之間的熱接觸面積對(duì)效率指數(shù)有不同程度的影響。 如所觀察到的，參考案例-I具有最高的效率指數(shù)等于9.131，其次是案例-II，III和IV。 結(jié)果清楚地表明，翅片和管之間的有限的熱接觸面積會(huì)導(dǎo)致無(wú)效的熱傳遞以及不希望的壓力損失，從而降低翅片管換熱器的整體性能。 此外，為了以令人滿意的方式確定相對(duì)性能，面積優(yōu)劣因子（方程(24) ）被確定為Colburn j因子與熱交換器設(shè)計(jì)相對(duì)于參考事例I的流阻系數(shù) f的比率。 圖13 顯示翅片和管之間具有不同熱接觸面積的熱交換器設(shè)計(jì)的性能。 正如預(yù)期的那樣，情況-I顯示最高的j / f值，這表明100％的熱接觸比具有有限熱接觸的情況表現(xiàn)更好。 對(duì)于組合分析，從數(shù)值模型中獲得的結(jié)果進(jìn)一步總結(jié)在 圖14。 該圖顯示了性能參數(shù)的百分比變化相對(duì)于不同情況下翅片和管之間熱接觸面積程度下降百分比的變化。 可以觀察到，在所有情況下，熱接觸的程度對(duì)整體傳熱系數(shù)和Colburn j因子具有相似的影響趨勢(shì)。 兩個(gè)參數(shù)都降低到接近0.180.160.140.120.10.080.060.040.0201.210.80.60.40.200.76 0.710.851.00I II III IV圖 11.翅片和管之間的熱接觸面積對(duì)流阻系數(shù)的影響。 圖 13.具有不同熱接觸面積的換熱器設(shè)計(jì)的面積優(yōu)化因子。0.149 0.1520.1390.123I II III IVColburnj因子流阻系數(shù)（j / J\）/（F / F\）效率指數(shù)S. Singh 等人 / Applied Thermal Engineering 107（ 2016 ） 612-624 621案例四 案例三 案例二 案 例我 30%20%10%0%-10%-20%熱接觸面積減少百分比整體傳熱系數(shù) Colburn j因子流阻系數(shù) 效率指數(shù)-30%圖 14.翅片和管之間的熱接觸面積對(duì)性能參數(shù)的影響。對(duì)于參考案例一，案例四的案件發(fā)生率高達(dá)8.23％和11.80％。 但是，由于熱接觸面積的減小程度，觀察到效率指標(biāo)具有顯著的影響。 在情況-IV時(shí)翅片和管之間的熱接觸面積減小到65.17％時(shí)，它降低到25.67％。 相反，當(dāng)熱接觸面積從I型降至IV型時(shí)，流阻系數(shù)增加至23.47％。 此外，可以得出結(jié)論，來自有限的熱接觸面積的熱傳遞是比由于翅片管式換熱器設(shè)計(jì)考慮中的氣隙造成的壓力損失相對(duì)重要的參數(shù)。由于翅片的額外重量以及機(jī)械技術(shù)涉及諸如沖壓和焊接以使管與翅片結(jié)合，因此制造翅片管式換熱器可能是昂貴的。 由于現(xiàn)實(shí)條件下的工程限制，在翅片和管之間實(shí)現(xiàn)完美的導(dǎo)熱接觸幾乎是不可能的。 另外，制造設(shè)計(jì)的需求并不總是在熱工或設(shè)計(jì)工程的控制之內(nèi)。 然而，通過了解翅片管接口，所用材料和其他設(shè)計(jì)要求如何影響熱交換器的成本，仍然可以通過降低成本來實(shí)現(xiàn)更好的性能。 有趣的是從中注意到 圖14 第二種情況與參考案例I在整體傳熱系數(shù)和Colburn j因子方面非常相似。 總體傳熱系數(shù)和Colburn j系數(shù)相對(duì)于情況I僅下降0.69％和4.48％。 但是，通過優(yōu)化設(shè)計(jì)，可以降低流阻系數(shù)和效率指標(biāo)與參考值的偏差12.83％和11.98％。 考慮到在制造和可用設(shè)計(jì)過程中增加額外成本的成本驅(qū)動(dòng)因素，案例II可能被證明是滿足價(jià)格需求的合適設(shè)計(jì)。6. 結(jié)論目前的工作研究了翅片和管之間的熱接觸面積對(duì)翅片管換熱器性能的影響。 根據(jù)熱傳導(dǎo)的程度選擇四種不同的情況，即情況I，II，III和IV在翅片和管之間的機(jī)會(huì)區(qū)域，并用數(shù)值模擬來模擬耦合傳熱和湍流現(xiàn)象。 結(jié)果從基于 FEM的商業(yè)軟件 COM-SOL中獲得，完全取決于研究中的假設(shè)。 完成的工作可以用作一個(gè)通用框架，可以修改這些框架，以更好地理解和建模新的研究問題，從程序和結(jié)果兩方面來看。 結(jié)果表明翅片和管之間的熱接觸面積變化對(duì)速度分布，溫度分布和性能參數(shù)的影響，結(jié)論如下：發(fā)現(xiàn)翅片和管之間的熱接觸面積的程度對(duì)整體傳熱系數(shù)和Colburn j因子有顯著影響。 隨著熱接觸面積的減小，流阻系數(shù)方面的壓力損失顯著增加。該研究通過效率指數(shù)考慮傳熱和壓力損失，并比較不同情況。 對(duì)于病例-I，計(jì)算為最高的9.131，其次分別為病例-II，III和IV的8.037,7.200和6.787。鑒于熱性能和機(jī)械性能，我認(rèn)為案例 I更有效 ; 然而，具有 70％熱接觸面積的情況 II被認(rèn)為是有希望的設(shè)計(jì)，其可用于翅片管換熱器的優(yōu)化研究以獲得最佳性能。該研究可以幫助研究人員和熱交換器設(shè)計(jì)制造商通過提供對(duì)翅片和管子界面處不同熱接觸面積的物理現(xiàn)象的洞察，從而指導(dǎo)翅片和管子熱交換器設(shè)計(jì)的優(yōu)化研究，以滿足工業(yè)規(guī)模。承認(rèn)本文中介紹的工作是該研究項(xiàng)目的一部分： THERMCYC - 利用低溫?zé)嵩吹南冗M(jìn)熱力循環(huán)由丹麥 Council for Strate--70 -60% -50% -40% -30% -20% -10% 0%%性能參數(shù)的百分比變化????h i ehrvrvrvU\h\\A\ HLtK\622 S. Singh 等人 / Applied Thermal Engineering 107（ 2016 ） 612-624gic可持續(xù)能源與環(huán)境研究（項(xiàng)目編號(hào)1305-0036B）。附錄 A對(duì)數(shù)平均溫差定義為：附錄C平均努塞爾數(shù)確定為：Nu?hg Dh eC:1TTlm?T\-T\-T\-T出 ） A:1T 其中h \是由總傳熱系數(shù)決定的氣體側(cè)對(duì)流傳熱系數(shù)[20]:D LNT\-Tin）T\-T出） 1 1 A\1 \-d\\2k2k附錄 B氣體域的水力直徑表示為：D 4A\P\ eB:1T進(jìn)一步簡(jiǎn)化時(shí)，1 1 1 1UAt\hgAt\hIAi+ 2kAied\-diTeC:3T26.4026.20由于管內(nèi)傳熱系數(shù)很高（10 \W / m\K），因此方程 (C.3) 被省略。 由于被分析的管子具有較小的厚度（10 \m）和較高的熱導(dǎo)率（50W / mK），因此使得第三項(xiàng)非常小并因此可以忽略不計(jì)，所以可以進(jìn)一步簡(jiǎn)化上式。 這導(dǎo)致了一個(gè)更簡(jiǎn)單的表達(dá)式，26.00 1 125.8025.6025.4025.2025.00 0 100000 200000 300000 400000 500000網(wǎng)格元素的數(shù)量圖 D.1。 通過網(wǎng)格元素的數(shù)量改變氣體區(qū)域的溫差。UAT=hgAt eC:4TU = h\ eC:5T附錄 D有限元網(wǎng)格獨(dú)立性研究是針對(duì)本研究中研究的每個(gè)案例的三個(gè)不同網(wǎng)格進(jìn)行的。 氣體區(qū)域的溫度差作為客觀物理性質(zhì)跟蹤，并與數(shù)量有限元網(wǎng)格單元作圖 圖D.1。 據(jù)觀察，在150,000 個(gè)網(wǎng)格元件溫度差異變化最小之后，不需要進(jìn)一步精煉網(wǎng)格，因?yàn)樗鼤?huì)簡(jiǎn)單地增加圖 E.1。 案例 I的計(jì)算幾何的有限元網(wǎng)格。溫差（K）eC:2T623圖 E.2。 （ a）情況 -II，（ b）情況 -III和（ c）情況 -IV的氣隙內(nèi)的邊界層網(wǎng)格（后視圖）。附錄E在本研究中使用的案例I的計(jì)算幾何的有限元網(wǎng)格顯示在 圖E.1。 圖中顯示了氣隙內(nèi)的精細(xì)邊界層網(wǎng)格 圖E.2.附錄F用于計(jì)算該模型的數(shù)值解的算法在圖中示出 圖F.1.圖 F.1。 計(jì)算模型數(shù)值解的算法。計(jì)算時(shí)間。 因此，對(duì)于情況 I，選擇具有 168,902個(gè)元素的網(wǎng)格。 對(duì)每個(gè)案例進(jìn)行類似的研究。參考[1] S. 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