大功率百葉窗式冷凝器強(qiáng)化傳熱研究.pdf

1、百葉窗翅片結(jié)構(gòu)具有良好的換熱效果，廣泛應(yīng)用于汽車空調(diào)器，代表間斷式擴(kuò)展表面良好的強(qiáng)化傳熱技術(shù)。本文結(jié)合CRH2動(dòng)車組牽引供電系統(tǒng)的主變流器相變傳熱冷卻系統(tǒng)，采用百葉窗翅片代替原有平直翅片結(jié)構(gòu)，基于大渦數(shù)值模擬，進(jìn)行大尺寸百葉窗翅片結(jié)構(gòu)的流動(dòng)與傳熱特性分析和大功率冷凝器空氣側(cè)的強(qiáng)化傳熱分析，提高變流器冷卻系統(tǒng)的整體換熱性能，實(shí)現(xiàn)冷凝器的輕型、高效和節(jié)能減排，并為電力器件相變傳熱冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)和應(yīng)用參考。
　　(1)建立了一

2、套比較完善的百葉窗翅片陣列數(shù)值計(jì)算模型，著重分析了等效熱源邊界條件參數(shù)設(shè)定、幾何模型、流態(tài)描述模型、數(shù)據(jù)處理方法等，數(shù)值計(jì)算結(jié)果與相關(guān)實(shí)驗(yàn)研究原始數(shù)據(jù)比較表明，小尺寸百葉窗翅片采用層流模型即可，而對(duì)于大尺寸情形，基于百葉窗間距Lp的雷諾數(shù)ReLP超過(guò)2000，采用帶平臺(tái)和過(guò)渡區(qū)模型的大渦模擬計(jì)算比較合理。
　　(2)在數(shù)值計(jì)算模型和方法充分論證基礎(chǔ)上，對(duì)大尺寸平直翅片和百葉窗翅片結(jié)構(gòu)的流動(dòng)與傳熱性能比較可知，百葉窗翅片的綜合性能優(yōu)

3、于平直翅片，冷凝器外觀尺寸相同條件下，采用百葉窗翅片結(jié)構(gòu)的換熱能力和有效度比平直翅片情形提高40％以上。
　　(3)針對(duì)大尺寸百葉窗翅片陣列的大渦模擬計(jì)算，探討了包括百葉窗角度、窗翅間距比、翅片厚度、流動(dòng)長(zhǎng)度、百葉窗高度等結(jié)構(gòu)參數(shù)的單參數(shù)影響規(guī)律，引入場(chǎng)協(xié)同原理分析了不同幾何結(jié)構(gòu)參數(shù)工況下的流動(dòng)與換熱特征，并提取了合理的關(guān)聯(lián)參數(shù)，給出了不同于文獻(xiàn)中的熱水力特性f、j因子關(guān)聯(lián)式。發(fā)現(xiàn)傾斜百葉片間隙開度分?jǐn)?shù)LFA=(Lp/Fp)tan

4、Lα可用于描述不同百葉角、窗翅間距比情形的流動(dòng)與傳熱特性規(guī)律劃分，換熱效果較好情形出現(xiàn)在0.75≤LFA≤0.858范圍內(nèi)。對(duì)于翅片厚度情形，應(yīng)采用δ/Fth來(lái)分段劃分流動(dòng)與傳熱特性。平均壓力降隨流動(dòng)長(zhǎng)度、窗翅間距比呈指數(shù)關(guān)系增加。不同流動(dòng)長(zhǎng)度情形，傳熱系數(shù)差異較小；傳熱系數(shù)與窗翅間距比之間也近似為指數(shù)關(guān)系。
　　(4)基于熱水力特性的無(wú)量綱處理，采用性噪比SN分析了不同結(jié)構(gòu)參數(shù)在換熱效果較好時(shí)的幾種控制因子水平，可知，窗翅間距比

5、Lp/Fp的貢獻(xiàn)率最大，為34.14％，翅片厚度Fth、流動(dòng)長(zhǎng)度Fd的貢獻(xiàn)率29.652％、16.293％次之，百葉角Lα的貢獻(xiàn)率最小為8.364％。若不限制換熱效果，百葉角在15°-30°范圍內(nèi)，窗翅間距比變化范圍較廣時(shí)，則貢獻(xiàn)率從大到小依次為窗翅間距比、百葉角、翅片厚度、流動(dòng)長(zhǎng)度、翅片高度。
　　(5)采用體積品質(zhì)因子、面積功率因子、最小泵功率法、最小熵增法、最小火積耗散原理等評(píng)價(jià)指標(biāo)，進(jìn)行大尺寸百葉窗翅片陣列熱水力性能優(yōu)劣分

6、析。當(dāng)以最小迎風(fēng)面積為目標(biāo)時(shí)，較小的翅片厚度和較大的窗翅高度比性能較好。當(dāng)以最小泵功率為目標(biāo)時(shí)，單位面積傳熱能力相同條件下，流動(dòng)長(zhǎng)度或窗翅間距比較小時(shí)熱水力特性較好。當(dāng)以最小熵增法為評(píng)價(jià)指標(biāo)時(shí)，在滿足相同換熱量條件下，較大流動(dòng)長(zhǎng)度、窗翅間距比和較小窗翅高度比結(jié)構(gòu)參數(shù)組合的性能較好；翅片厚度和百葉角對(duì)熵增速率影響可忽略。此外，流動(dòng)長(zhǎng)度、窗翅間距比、窗翅高度比越大，火積耗散越小，翅片表面性能越好。
　　(6)建立了沸騰-冷凝相變冷卻系

7、統(tǒng)傳熱過(guò)程的熱阻網(wǎng)絡(luò)分析模型，計(jì)算分析表明，采用流動(dòng)長(zhǎng)度為240mm、160mm的百葉窗翅片結(jié)構(gòu)時(shí)，空氣側(cè)熱阻比240mm的平直翅片結(jié)構(gòu)情形分別約減小58％、36％，整體性能得到較大改善。蒸發(fā)段液池內(nèi)沸騰傳熱熱阻僅次于空氣側(cè)熱阻，尤其是采用百葉窗翅片時(shí)，沸騰傳熱熱阻比重增至30～40％。扁管壁面導(dǎo)熱熱阻和冷凝段凝結(jié)傳熱熱阻很小，可以忽略。原有冷卻系統(tǒng)采用160mm的百葉窗翅片即可滿足要求，冷凝器外觀體積、重量減小1/3。當(dāng)換熱量由10k