蒸发换热器与变压器连接位置对流动换热的 影响
(影响换热器总传热系数的原因
1L: 1、结构；2、介质；3、运行参数2L: 传热系数的大小与冷热流体的性质、换热的操作条件（如流速、温度等）、传热面的结垢状况以及换热器的结构和尺寸等许多因素有关。
对流传热十分复杂，垢层热阻又难以确定，因此传热系数的计算值与实际值往往相差较大。
在设计换热器时，最好有实测值或生产中积累的经验数据作为参考。
3L: 换热器的总传热系数主要与换热管两侧的膜传热系数和换热管的热阻有关，因而换热器的总传热系数与下列参数有关：1.换热管、壳程流体的物性数据（粘度、表面张力、密度等）；2.换热管、壳程流体的流速有关；3.换热管的热阻有关。
4L: 在传热基本方程式Q=KAΔtm中，传热量Q是生产任务所规定的，温度差Δtm之值由冷、热流体进、出换热器的始、终温度决定，也是由工艺要求给出的条件，则传热面积A之值与总传热系数K值密切相关，因此，如何合理地确定K值，是设计换热器中的一个重要问题。
目前，总传热系数K值有三个来源：一是选取经验值，即目前生产设备中所用的经过实践证实并总结出来的生产实践数据；二是实验测定K值；三是计算。
在传热计算中，如何合理地确定K值，是设计换热器中的一个重要问题。
而在设计中往往参照在工艺条件相仿、类似设备上所得较为成熟的生产数据作为设计依据。
工业生产用列管式换热器中总传热系数值的大致范围见表4-10列管式换热器中K值大致范围热流体冷流体总传热系数，KW/m2·K水水850～1700轻油水340～910重油水60～280气体水17～280水蒸汽冷凝水1420～4250水蒸汽冷凝气体30～300低沸点烃类蒸汽冷凝(常压)水455～1140高沸点烃类蒸汽冷凝(减压)水60～170水蒸汽冷凝水沸腾2000～4250水蒸汽冷凝轻油沸腾455～1020水蒸汽冷凝重油沸腾140～425总传热系数的计算前述确定K值的方法虽然简单，但往往会因具体条件不完全符合所设计的情况，而影响到设计的可靠性。
所以，还必须对传热过程进行理论上的分析，以了解各种因素对传热过程的影响，从而建立起计算总传热系数K的定量式。
分析影响换热器设计的制约因素并解释其具体影响方式和具体解决方
分析影响换热器设计的制约因素并解释其具体影响方式和
具体解决方
1、环境温度：换热器外部的环境温度直接影响换热器的蒸发或冷凝温度，直接决定换热器管内外的温差，换热器温差越大，则换热能力越大。
2、环境湿度：制冷时室内湿球温度对冷量的影响很大，正常情况下，环境湿度越高，换热器换热效果越好。
3、通风量、风速：一般情况下风量越大、风速越高，换热能力越强，换热效率越高，但同时产生的噪音也越高，所以需要根据性能指标要求合理确定风量。
室外风量选择同样存在换热能力与噪音的矛盾，一般情况下单排换热器迎风面积相对较大，风量较大。
4、压缩机能力：换热器的换热能力与压缩机能力成正比，压缩机排量大，制冷剂在系统中的循环量大，会加快换热器管内制冷剂的流速，提高管内侧换热效率。
但如果用大马拉小车，则成本上升、EER下降，有点得不偿失，一般不提倡，仅适用换热器过小补偿。
换热器的热力学性能分析及优化
换热器的热力学性能分析及优化热力学性能是一个换热器最基本的特征之一。
换热器是在化工、锅炉、发电等工业领域中广泛应用的设备，其热力学性能的良好或否决定着生产和制造的成本和效益。
本文将从流体动力学、传热学和流体力学等角度，对换热器的热力学性能进行分析和探讨，并提出一些优化方案，以提高其效率和性能。
一、换热器的流体动力学分析滑板换热器和管壳式换热器是工业应用中较为常见的换热器类型。
换热器在使用过程中，流体的流动状态会对其热力学性能产生很大的影响。
因此，首先需要对其流体动力学进行分析。
1.1 流体的流动方式换热器中流体的流动方式可根据其物理特性和流路结构分为多种类型，如层流、紊流、混合流等。
其中，在翅片换热器中，流动一般是层流型的，层流状态下流体的流动需要满足雷诺数小于2100的条件，而在管壳式换热器中，流动一般是混合流型的，流体的流动通常在管侧是紊流，在壳侧是层流或混合流。
1.2 流体的速度和流量流体在换热器中的速度和流量也会对其热力学性能产生影响。
在流速过高的情况下，容易产生压力损失和泄漏现象，从而影响换热器的效率和使用寿命，而低流速则会导致传热不充分，影响换热器的热力学性能。
因此，需要在流体流量和速度之间寻求平衡，以达到最佳的换热效果和热力学性能。
二、换热器的传热学分析换热器的传热性能是换热器的另一个重要特征。
换热器的传热效率直接影响其热力学性能和效益。
因此，在换热器的设计和制造中，传热学的分析与优化非常关键。
2.1 热传导的特性热传导是换热器传热的基本方式，也是最常见的传热方式之一。
对于不同的材料，其热传导的特性不同，如金属的热传导率相对比较高，而非金属的热传导率相对较低。
因此，在换热器的制造中，需要根据不同的材料特性和使用要求进行选择，以达到最佳的传热效果和热力学性能。
2.2 湍流传热的影响湍流传热是一种非线性的、复杂的传热方式，其传热效率相对于层流传热更高。
然而，湍流传热所需的能量消耗也更大，从而会产生较大的热损失。
蒸发换热器与变压器连接位置对流动换热的 影响
Abstract
The fluent software was used to simulate and analyze the underground transformer and evaporative heat exchanger model, and the characteristics of the oil flow between the transformer and the evaporative heat exchanger and the movement of the surrounding air were obtained. Comparing and analyzing the flow field and temperature field of evaporative heat exchangers at different connection positions, it is concluded that the heat transfer conditions of the evaporative heat exchanger are better and the flow velocity of the fluid at the connection position is the fastest.
式中：P 表示流体微元上受到的压力，Pa； τ xx 、 τ yx 、 τ zx 是粘性应力在 x、y、z 三个方向上的分量，该 粘性应力由流体分子的粘性作用产生并作用在控制微元体表面上； Fx 、 Fy 、 Fz 分别表示微元体在三个
= F = 0 ， Fz = − ρ g 。 方向上的体积力，如果微元体只受重力作用，且 z 轴方向竖直向上，则 F x y
降膜蒸发器中热传递的影响因素
降膜蒸发器中热传递的影响因素H.CHEN 和R.S.JEBSON新西兰.北帕.梅西大学.食品技术部门应用一台小型规模的单管式降膜蒸发器来获得关于这种类型蒸发器蒸发原理的一些认知。
设定在试点蒸发器上的操作条件是取自于商业牛奶蒸发器获得的研究成果。
这项研究成果是在使用像水和糖溶液等牛顿流体作为物料条件下而获得实现的。
总传热系数受液体蒸发和蒸汽冷凝温度之间的温差，蒸发温度，排出密度，液体粘度和加热管长度的影响，但是普朗特系数对其也有着非常重要的影响。
关键词：蒸发降膜传热系数雷诺数普朗特系数简介降膜蒸发器在类似于以在较低的蒸发温度和相对较短的停留时间条件下具有较高的传热系数为特征的食品工业行业中有着极为广泛的应用，这意味着它们能够处理热敏感材料。
在很大程度上它们能够满足当今现代食品工业的需求，例如尽可能大的容量，经济，运转可靠，单程控制等。
它们是乳品行业中的标准蒸发器。
据估算在新西兰有占总消耗能量的1%的能量用于蒸发过程的消耗。
在牛奶生产过程中，蒸发阶段需消耗50%的能源。
因此，人们乐于去了解降膜蒸发器的蒸发原理，以便使蒸发器在工业应用中达到最大的容量和最高的效益。
尽管降膜蒸发器在工业领域中有着极为广泛的应用，但是只有极少量的文献论文是关于降膜蒸发器的，尤其是牛奶蒸发器。
因此，我们建立了一台小型规模的单管降膜蒸发器用来学习其内部的热传递。
从商业牛奶蒸发器和文献获得的结果可以看出，很显然降膜蒸发器中热传递的影响参数可以归结如下：1.蒸发发生的温差2.蒸发温度和蒸汽冷凝温度之间的温差3.液体进料的流速4.液体进料的温度5.蒸发器内部液体的浓度6.加热管的长度7.加热管的直径8.加热管的特征：金属材料的种类，壁厚和适合于加热管的处理方式上述可变物，温度区别，蒸发温度，进料流速和加热管长度被选择作为研究对象。
其实验条件是基于牛奶工厂的实验结果来选择确定的。
虽然牛奶作为蒸发器的进料被广泛应用，但是在本次实验中却不能使用牛奶，其原因如下：1．牛奶的物理特性天天在变化2．一旦牛奶稍有浓缩，它会随着时间而增厚，即其粘度会随着时间增加而增长，并且增长速度在较高的温度和浓度条件下增长更快。
蒸发冷却器的工作原理
蒸发冷却器的工作原理蒸发冷却器是一种常用的散热设备，广泛应用于空调系统、冷藏冷冻设备等领域。
它通过利用液体蒸发吸热的原理，实现对热量的传递和降温效果。
本文将重点介绍蒸发冷却器的工作原理及其基本构造。
一、工作原理蒸发冷却器的工作原理基于物质的相变过程，液体在蒸发时需要吸收热量来提供能量，而蒸发冷却器则利用了这个过程来降低周围环境的温度。
蒸发冷却器通常由两个主要部分组成：冷凝器和蒸发器。
工作时，冷凝器中的制冷剂会被压缩成高压高温的气体，然后通过传热管送入蒸发器中。
在蒸发器中，制冷剂会经过膨胀阀释放，由高压状态迅速降压为低压状态，从而引起温度下降。
在此过程中，制冷剂与环境中的空气接触，通过吸热蒸发的方式将热量带走，最终实现散热和降温的效果。
二、基本构造1. 冷凝器：冷凝器是蒸发冷却器中的重要部分，负责将热量从制冷剂中释放出去。
通常由管道系统和扇叶组成，管道系统用于传送高温高压的制冷剂，而扇叶则用于增强气流和散热。
冷凝器的主要作用是将制冷剂的热量转移到外界环境中，使其冷却并转化为液体。
2. 蒸发器：蒸发器是蒸发冷却器中的另一个重要组成部分，起着蒸发制冷作用。
通常由一系列的传热管和散热片构成，传热管中通过制冷剂的流动，实现热量的传递。
而散热片的设计可以增加表面积，提高散热效果。
蒸发器中的制冷剂通过膨胀阀迅速降压，并与周围环境中的空气发生接触，从而带走热量并降低温度。
三、优势与应用1. 高效散热：蒸发冷却器利用液体蒸发吸热的特性，具有较高的散热效率。
相比于传统的空气冷却方式，蒸发冷却器能够更快速地将热量散发到空气中，提高散热效果。
2. 节能环保：相较于其他形式的散热设备，蒸发冷却器无需额外的能源供应，仅通过物质相变过程实现散热，具备节能环保的特点。
3. 广泛应用：蒸发冷却器广泛应用于空调系统、冷藏冷冻设备、汽车散热系统等领域。
其高效散热性能和节能环保的特点，使其成为许多行业中必不可少的设备。
综上所述，蒸发冷却器是一种利用液体蒸发吸热原理的散热设备，通过冷凝器和蒸发器之间的热量转移，实现对热量的传递和降温效果。
对流换热的影响因素
对流换热是一种常见的热交换方式，它是指流体通过直接与固体表面接触来传递热量的过程。
对流换热的影响因素包括：
1.流体的性质：流体的导热系数和密度等物理性质会影响对流换热的效率。
2.流体的流动速度：流体的流动速度越快，对流换热的效率就越高。
3.两个相邻的表面间的温差：两个相邻的表面间的温差越大，对流换热的效率就越高。
4.表面结构：表面结构越粗糙，对流换热的效率就越高。
5.环境条件：对流换热过程中的空气温度、湿度等环境条件会影响对流换热的效率。
6.传热面积：传热面积越大，对流换热的效率就越高。
7.对流换热器的设计：对流换热器的设计会影响对流换热的效率。
8.热传递方向：对流换热的效率会受到热传递方向的影响。
热交换器和蒸发器的作用
热交换器和蒸发器的作用嘿，朋友，你问到热交换器和蒸发器的作用啊，这可是个好东西呢。
咱们用四川话、陕西方言和北京话，来给你说说它们的作用吧。
咱们先从四川话开始哈。
热交换器啊，就像咱们四川的火锅一样，一边热一边凉，但它不是用来吃火锅的，而是用来传递热量的。
就像你把热汤倒进碗里，碗就热了，这就是热量的传递。
热交换器就是做这个的，让热量从一边传递到另一边，这样就能实现能源的再利用，节约能源，你说是不是很方便呢？再来说说蒸发器，这就好比咱们四川的蒸菜一样，把食物放在蒸笼里，水蒸气就把食物给蒸熟了。
蒸发器就是把液体变成气体的地方，就像蒸菜里的蒸汽一样。
在制冷系统里，蒸发器能吸收热量，让空间变得更凉爽。
接下来咱们用陕西方言来说说。
热交换器嘛，就像咱们陕西的烤面筋一样，一边是火一边是面筋，火把面筋烤得香喷喷的。
热交换器也是这样，把一边的热能传递给另一边，让另一边也变得热乎乎的。
蒸发器呢，就像咱们陕西的蒸馍馍，把馍馍放在蒸笼里一蒸，就变得软软的，好吃得很。
蒸发器也是把液体变成气体，让空间变得凉爽。
最后咱们用北京话来说说。
热交换器啊，就像是咱们北京的四合院里的暖气，一边烧着煤，一边屋里就暖和了。
这就是热交换器的作用，把热能从一个地方传递到另一个地方，让屋里变得温暖如春。
蒸发器呢，就像是咱们北京的冰镇啤酒，把啤酒放在冰箱里一冻，就变得冰凉凉的，喝起来特别舒服。
蒸发器也是让液体变成气体，带走热量，让环境变得凉爽。
总的来说啊，热交换器和蒸发器都是好东西，它们各有各的作用，能让我们的生活变得更加舒适和节能。
不管是在四川、陕西还是北京，都能用到它们，你说是不是很方便呢？。
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1. 前言
随着城市的迅速发展，其对电力资源需求的日益增加与用地制约的矛盾也逐渐凸显，为解决这一问 题，越来越多的城市地下变电站应运而生[1] [2]。 传统的热交换冷却技术包括油浸自冷式、油浸风冷式、强油风冷及强油水冷式等等[3] [4]。 由于地下变电站的特殊情况，以上冷却方式都存在一定的问题。而蒸发冷却这种相变的散热方式却 可以依靠沸腾产生的密度差即可形成自然循环，无需外加驱动设备，提高了运行的可靠性[5]，无风机， 降低了噪音水平[6]，而且对于大功率地下变压器同样适用。可以将散热设备与变压器本体分离安装，使 地下变压器的散热设备可置于地面或屋顶，在节省占地面积的同时维护工作量也将大大减小。相变冷却 是目前电气设备冷却降温方式的重大改进[7]。 本文将对散热设备应用蒸发冷却技术的地下变压器进行数值模拟与实验，通过温度场和流场的分析 得到变压器油在蒸发换热器和变压器之间流动的规律，分析比较两个不同位置蒸发换热器模型的流动和 传热情况，为蒸发冷却技术在油浸式变压器的散热设备中的应用提供一定的优化思路。
式中：P 表示流体微元上受到的压力，Pa； τ xx 、 τ yx 、 τ zx 是粘性应力在 x、y、z 三个方向上的分量，该 粘性应力由流体分子的粘性作用产生并作用在控制微元体表面上； Fx 、 Fy 、 Fz 分别表示微元体在三个
= F = 0 ， Fz = − ρ g 。 方向上的体积力，如果微元体只受重力作用，且 z 轴方向竖直向上，则 F x y
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Abstract
The fluent software was used to simulate and analyze the underground transformer and evaporative heat exchanger model, and the characteristics of the oil flow between the transformer and the evaporative heat exchanger and the movement of the surrounding air were obtained. Comparing and analyzing the flow field and temperature field of evaporative heat exchangers at different connection positions, it is concluded that the heat transfer conditions of the evaporative heat exchanger are better and the flow velocity of the fluid at the connection position is the fastest.
Table 1. Physical properties of transformer insulation oil 表 1. 变压器绝缘油的物性参数
Keywords
Underground Transformer, Evaporative Heat Exchanger, Simulation, Heat Dissipation
蒸发换热器与变压器连接位置对流动换热的 影响
刘婷婷，李永光
上海电力学院，能源与机械工程学院，上海
收稿日期：2018年3月20日；录用日期：2018年5月4日；发布日期：2018年5月11日
∂τ yx ∂τ zx ∂ ( ρu ) ∂p ∂τ + div ( ρ uU ) = − + xx + + + Fx ∂t ∂x ∂x ∂y ∂z
DOI: 10.12677/se.2018.82003 25
(2)
可持续能源
刘婷婷，李永光
Figure 2. Comparison of models of evaporative heat exchangers in different locations 图 2. 不同位置蒸发换热器的模型对比图
(5)
表示流体内部热源与流体粘性作用而产生的热量， J；λ 为流体的换热系数， 以上式中， ST 为粘性耗散项，
W/m 2 ⋅ K ；cp 为比热容, J/ ( kg ⋅ K ) 。
上述方程涉及 u、v、w、P、T、ρ 六个变量，为使方程组封闭，需补充流体的状态方程： 本模型中压力、温度和密度之间的规律按照 Boussinesq 假设变化，公式如下：
ρ = ρ0 1 − β (T − T0 )
ρ0 为流体密度，kg/m3；T0 为环境温度，K； β ——热膨胀系数，1/K；
求解上述方程即可解决流体的流动和传热情况。 变压器油的其他物性随温度变化的拟合公式如表 1 所示。
(格的疏密、数量及质量的好坏等问题决定了日常的工作量，网格质量的好坏 问题直接影响到了后续迭代求解能否收敛的问题(图 5)。当然网格数量较少可以提高运算速度，然而却得 不到我们需要的有效解，甚至出现完全不符合实际的结果。随着网格数量增多能够提高运算结果的精度 但会加重计算机的求解负担，使得整体运算周期变长，当网格超过一定量时，可能会超过计算机内存的 求解能力。在考虑计算机计算能力的同时保证计算结果的精度，最终得到的网格数为 300 万左右。
DOI: 10.12677/se.2018.82003 24
可持续能源
刘婷婷，李永光
Figure 1. Evaporative cooling schematic 图 1. 蒸发冷却原理图
本文以 SZ11-31500kVA/35kV 配电变压器为研究对象，该变压器的额定容量：31,500 kVA；额定频 率：50 Hz；冷却方式：油浸自冷；油箱尺寸：3700 mm × 1450 mm × 2400 mm；根据变压器实体数据利 用 GAMBIT 软件建立计算模型。 根据变压器蒸发冷却系统运行特点，对模型进行如下简化： 1) 考虑到模拟中油的流动主要在变压器铁芯绕组外部与蒸发器之间，故暂忽略铁芯和高、低压绕组 内部的导热问题。 2) 由于变压器流场呈对称分布，故取此变压器流场的 1/2 进行数值模拟，计算模型如图 2 所示。 3) 最外部的正方体模拟环境边界，尺寸为 4000 mm × 4000 mm × 4000 mm。 模拟采用的蒸发换热器尺寸 Φ320 mm × 2.5 mm，高度为 830 mm。冷却管 86 根，高度与蒸发换热器 高度相等，呈三角形排列，管间中心距为 24 mm。为防止流体没有在蒸发换热器中充分停留而导致换热 效率低下，在冷却管三分之一和三分之二的地方各有一块厚度 20 mm 的六边形挡板，挡板中的小孔尺寸 与排布形式与换热器相同。在挡板最外一圈有冷却管通过。图 3 为蒸发换热器内部冷却管的排列情况， 图 4 是挡板与冷却管的截面图。
∂ ( ρv) ∂p ∂τ xy ∂τ yy ∂τ zy + div ( ρ vU ) = − + + + + Fy ∂t ∂x ∂x ∂y ∂z
∂τ yz ∂τ zz ∂ ( ρ w) ∂p ∂τ + div ( ρ wU ) = − + xz + + + Fz ∂t ∂x ∂x ∂y ∂z
(3) (4)
特点以及周围空气的运动情况。对比分析不同连接位置的蒸发换热器的流场和温度场，得出了蒸发换热 器位置靠上的位置的模型换热情况较好，以及流体在连接位置的流动速度最快的结论。
关键词
地下变压器，蒸发换热器，模拟，散热
Copyright © 2018 by authors and Hans Publishers Inc. This work is licensed under the Creative Commons Attribution International License (CC BY). /licenses/by/4.0/
摘
要
应用fluent软件对地下变压器和蒸发换热器模型进行模拟与分析,得出了变压器与蒸发换热器之间的油流
文章引用: 刘婷婷, 李永光. 蒸发换热器与变压器连接位置对流动换热的影响[J]. 可持续能源, 2018, 8(2): 23-31. DOI: 10.12677/se.2018.82003
刘婷婷，李永光
2. 模型的建立
2.1. 物理模型
变压器蒸发冷却系统如图 1 所示，变压器运行时，可能会因绕组短路、铁芯局部温度过高、铁芯绕 组间发生磁滞损耗和涡流损耗和开关接触不良等原因造成其温度上升。升温后的变压器油从变压器的出 油口流出，通过连接管道流入蒸发换热器 A 内，在冷却管外壁流过时与管内的制冷剂发生热交换，热油 降温。当变压器油温度升高至大于冷媒的沸点温度时，蒸发器 A 中的冷媒汽化，气体通过其与上端冷凝 器的管道进入冷凝器 B 内，随后在冷凝器 B 内与外界环境发生热量交换，液化后在重力的作用下流回蒸 发换热器内部的冷却管内，等待下一次的蒸发冷却循环。热油在蒸发换热器内得到冷却后回到变压器箱 内。整个过程无需任何的外界驱动。 蒸发换热器和变压器位于地下，冷凝器位于地上，本文主要研究地下变压器油的循环流动状态，而 油的流动发生在变压器与蒸发换热器之间，因此不考虑制冷剂在冷凝器 B 中的流动情况，在模拟计算时 通过对冷却管的定壁温设置来代替制冷剂的循环。故建立模型时只考虑蒸发换热器和变压器。 建立模型时考虑环境温度对换热的影响，这里用 3000 mm × 3000 mm × 3000 mm 的正方体来模拟环 境边界，置于蒸发换热器与变压器模型的外部，示意图如图 2 所示，两个模型除了接口位置不同，其余 的设置尺寸均相同。
The Influence of Connection Position between Evaporation Heat Exchanger and Transformer on Flow and Heat Exchange