空气冷却器以管外空气掠过管束带走热媒热量,在石油化工行业热冷却流程中占有十分重要的地位。翅片管束用于空冷,凭借其翅化表面,有效提高了空冷器热交换效率。而目前对于翅片管束用于喷淋式蒸发冷却换热研究公开发表文献较少,尤其对翅片管束用于表面蒸发冷却设计计算方法有待进一步研究。本文以工业用空冷装置为模板搭建了实验平台,给出了分析翅片管束表面蒸发冷的热力学特性的一种理论计算方法。由传热增强比对翅片管束进行了结构参数对传热影响分析。由干式翅片管束空冷实验拟合了工业用传热及管束压降关联式。完成了干式空冷三维翅片管束数值模拟,深入解析了翅片管束干式空冷传热与压降机理。进行了翅片管束表面蒸发冷实验,研究了水膜及相对湿度变化对换热影响,给出了翅片管束表面蒸发冷热质传递与压降关联式,弥补了翅片管束表面蒸发冷计算研究。建立了翅片管束表面蒸发冷有限差分方程组,进行了整体翅片管束表面蒸发冷热质传递特性分析,首次采用离散相模型(discrete phase model),欧拉壁面液膜模型(Eulerian wall film model)与组分输运模型(mixture species transport model)耦合来进行三维CFD模拟研究多参数对翅片管束表面蒸发冷影响。主要研究工作及结论如下:(1)给出了分析翅片管束表面蒸发冷的热力学特性的一种理论计算方法,由传热增强比对翅片管束进行结构参数对传热影响分析,翅片高度增加相较于光管强化了传热,但这种强化传热效果会随着翅片高度增加逐渐减弱,不能使传热量无限增加。热传递由于翅片厚度、密度及导热系数增加而得到强化,对干、湿工况下翅片微元的传热传质特性进行了方程组数值求解,得到了翅片微元温度、水膜温度、热量分布、翅片效率及翅片热阻等重要参数的数值解。(2)搭建了翅片管束空冷中试实验平台,实验表明高翅片管束能够在低温环境下取代常态运行光管湿式空冷,满足热工艺要求,达到节水目的,依托本文实验装置数据拟合得到用于翅片管束干式空冷管外传热与压降关联式,具有工业应用价值。(3)由翅片管束干工况空冷实验数据为边界进行三维翅片干式空冷数值模拟,定义翅片迎风顶点为0°,翅片180°位置附近出现尾部回流区,标准管间距排布时,管束上游高度不稳定尾流能够促进下游传热。空气在翅顶处发生转向,而后在翅前段形成涡,单个翅片前段的旋涡不断形成与脱落使得温度边界层不断更新,翅片前段传热系数高。低进口风温下翅片间空气温度梯度要大于高进口风温下温度梯度,揭示了低进口风温下传热强化机理。(4)搭建了翅片管束表面蒸发冷实验平台,研究了水膜变化对于传热影响,水膜厚度增加能够带来传热量的增加,且除空气流速与喷淋水因素外,管束外热质传递过程还与进风环境相对湿度有关,管束表面水膜同空气间水蒸汽分压伴随进风环境相对湿度变大而减小,从而使其传质推动力减弱,传热量减小。给出了翅片管束表面蒸发冷拟合热质传递与压降关联式,其对翅片管束表面蒸发空冷器设计提供依据。(5)基于偏微分方程替代法及能量平衡法,建立翅片管束表面蒸发冷热质传递有限差分方程组,得到了描述翅片管束蒸发冷热质传递特性参数,可进行整体翅片管束表面蒸发冷热质传递特性分析。由上至下管排刘易斯因子增加,在下部管排刘易斯因子增加趋于平缓,管排浓度和温度边界层相对更新速率由上至下减弱,上排管束相对下排管束发生着更为强烈的水膜蒸发。管外水膜同空气间热量交换中以潜热为主。低温环境下表面蒸发冷具有明显高的(?)利用效率。(6)建立了翅片外径42mm、50mm及57mm多种结构翅片管束三维模型,首次采用离散相模型(DPM),欧拉壁面液膜模型(EWF)与组分输运模型(MST)耦合模拟研究多结构参数三维翅片管束表面蒸发冷特性。对空气质量流量、喷淋强度、翅片高度、管束排布及翅片间距等关键变量对表面蒸发冷影响进行了分析。利用场协同理论与范宁摩擦因子得到综合评价准则,即综合性能因子来分析多结构参数翅片管束表面蒸发冷性能,空气质量流量、喷淋强度及翅片高度的增加都提高了综合性能因子,提高表面蒸发冷综合性能。当Re超过2820时,管排数的增加带来的翅片管束压降特性变化要比传热特性变化强烈,即管排数越多的翅片管束综合性能越差。翅片间距减小,翅间温度边界层梯度小,翅片管束表面蒸发冷热质传递效率降低,压降升高,管束综合性能下降。在翅片管束表面蒸发冷工业应用中所选翅间距应不小于3mm。