【摘 要】
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随着工业化发展,能源短缺问题渐渐浮出水面,如何更高效的利用能源是我们所面临的考验。换热器作为一个能源交换装置如今慢慢进入大众视线,如何优化设计使其更高效的运行成为研究热点。本文根据换热器的应用场景和应用范围设计出一种热管式换热器,并进行结构优化。热管是一种强化换热设备,由于其优秀的传热性能常用于余热回收系统,但较少利用于液—液工况下,本文设计出一款带有单弓形折流板的热管式换热器并探寻折流板尺寸和排
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随着工业化发展,能源短缺问题渐渐浮出水面,如何更高效的利用能源是我们所面临的考验。换热器作为一个能源交换装置如今慢慢进入大众视线,如何优化设计使其更高效的运行成为研究热点。本文根据换热器的应用场景和应用范围设计出一种热管式换热器,并进行结构优化。热管是一种强化换热设备,由于其优秀的传热性能常用于余热回收系统,但较少利用于液—液工况下,本文设计出一款带有单弓形折流板的热管式换热器并探寻折流板尺寸和排列的最优组合,根据管式换热器研究经验,折流板缺口高度和间距对换热器整体性能影响至关重要。模拟研究基于CFD软件,通过FLUENT数值模拟方法研究其整体换热性能,得到速度、温度以及压力分布图并进行工况分析。为了验证模型设计的合理性,综合评价换热器的整体效率,引入了JF评价因子,JF因子可以结合换热器换热系数和压力损失综合评价换热器性能,并且找到最优解。以下是本文主要研究内容。（1）首先将带有折流板的热管换热器与无折流板的热管换热器进行对比,得出了加入折流板后换热量大提升显著,验证了加入折流板的可行性。（2）接着对热管换热器的进出口布置方式进行模拟研究,将蒸发器、冷凝器进出口排列组合得出四种工况。对比四种工况下的JF因子,最终在四种工况中选择了蒸发器上进下出、冷凝器上进下出的工况。（3）在蒸发器、冷凝器均为上进下出的工况下,在热管管束顺排工况下选用不同折流板缺口高度对比换热性能,根据JF因子排除了性能较差的缺口高度为0.5D和0.15D的折流板。模拟得出缺口高度为0.4D和0.25D的折流板分别在顺排和叉排工况下的换热量、压力损失、JF因子。得出:同样的工况、同样的进口参数下,叉排的换热量大于顺排,并且阻力也大于顺排。（4）为了进一步确定折流板缺口高度的具体值,建立折流板缺口高度为0.4D、0.35D、0.3D、0.25D的模型,对比在不同工况下的流动情况、换热量,最终得出了缺口高度0.3D时折流板最优。折流板缺口小,通过缺口的流速就大,换热效果好,但是同时产生的压力损失也非常大,流体可以更好地横向冲刷管束,换热更充分。当折流板缺口高度太大,通过折流板的流体也不会有太大的压力损失,而纵向流动更多,换热效果就稍差一些。（5）接着确定折流板间距,折流板的间距范围通常在0.5D～1.0D之间且不小于50mm,因此建立了间距为50 mm、75mm、100mm、125mm和150 mm的模型,发现125mm以上的流动存在死水区较大,50mm阻力过大。最终研究范围设定为70mm、80mm、90mm和100mm,阻力随折流板间距变大而减小,但在超出90mm的情况下,阻力反而增大、对比JF因子后得出:在折流板缺口高度为0.3D的工况下,折流板间距90mm的模型最佳。本研究得出:在确定温差和速度时,折流板的间距变小、折流板缺口高度减小都会导致换热量增大同时阻力增大。在冷凝段入口温度20℃、蒸发段入口温度40℃,换热器热端内部流速0.20m/s、冷端流速0.15m/s时,采用蒸发段上进下出、冷凝段上进下出的入口布置时,折流板缺口高度0.3d、折流板间距为90 mm,整体换热性能更好。
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