正反90°扭带在圆管中的强化换热性能研究

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热量传递是能量利用最为普遍且重要的一环,而换热器则作为热交换的关键设备,在众多领域都有着广泛的应用,其换热性能和功率消耗直接影响到节能降耗和生产效率的水平,而强化管内换热是增强换热器传热性能最好的手段,换热管内插扭带可以有效地强化管内换热,以此来实现设备高效运转,达到节能减排的效果,且扭带因为具有强化性能好,结构简单和造价低廉等优点而广为研究和应用。本文首先采用数值模拟方法,以水为介质,在雷诺数Re=400~1800范围内,研究正反90°扭转扭带对换热管管内流体流态、换热特性以及阻力特性的影响,同时还探究了扭率以及不同边缘缺口对于该扭带强化管内换热性能的影响;而后通过实验进一步验证模拟结果的准确性,以及分析不同面积方形缺口与扭带强化换热性能之间的关系。数值模拟结果表明,换热管内置扭带可以产生以旋转为主要特征的复杂流动,该复杂流动有效促进流体温度场与速度场均匀化,产生二次流,破坏管壁附近边界层,进而极大的强化了管内对流换热。通过对扭率对扭带强化换热性能影响分析可知,在同一工况下,换热管内插扭带扭率减小时,其努塞尔数、摩擦系数以及综合性能PEC值随之增大,其中扭率为3的扭带具有最好的综合强化换热性能。在扭带边缘加上不同缺口(V形、半圆形和方形),并且分析内插上述扭带换热管的相关特性可知,在扭带边缘加上缺口对扭带改变流场能力基本不影响,而且可以扩大管内流体相互作用范围,各不同缺口扭带对应综合性能PEC值均大于1,说明通过在边缘加上缺口以此增强扭带强化换热能力是有效的。其中方形缺口扭带的综合强化换热能力最强,在研究工况范围内,其综合性能PEC值最高可达2.43。本文研究模型中,方形缺口正反90°扭转扭带有着最好的综合换热性能,所以保持缺口形状不变,以缺口面积为自变量,通过实验探究缺口面积对于扭带对应传热特性、摩擦特性以及综合性能的影响。结果显示,在同一工况下,当扭带缺口面积增大时,内插该扭带换热管努塞尔数和摩擦系数均也随之增大,其综合性能也越好。方形缺口面积为50mm~2的扭带综合强化换热性能最好。实验最后为扭率y=3无缺口与不同面积方形缺口扭带拟合出努塞尔数与摩擦系数的实验关联式,对应拟合值与实验值的误差分别不超过7.8%和10.7%。
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