风冷翅片式热管散热器的性能仿真探究
翅片式管翅式换热器流动换热性能比较研究
翅片式管翅式换热器流动换热性能比较研究摘要：随着制冷空调行业的发展,人们已经把注意力集中在高效、节能节材的紧凑式换热器的开发上,而翅片管式换热器正是制冷、空调领域中所广泛采用的一种换热器形式。
对于它的研究不仅有利于提高换热器的换热效率及其整体性能,而且对改进翅片换热器的设计型式,推出更加节能、节材的紧凑式换热器有着重要的指导意义。
由于翅片管式换热器在翅片结构形式和几何尺寸的不同,造成其换热性能和阻力性能上的极大差异。
本文概述目前国内外空调制冷行业中的普遍采用的几种不同翅片类型（平直翅片、波纹翅片、开缝翅片、百叶窗形翅片）的换热及压降实验关联式及其影响因素，对不同翅片形式的管翅式换热器的换热及压降特性的实验关联式进行总结，并对不同翅片的流动换热性能进行了比较。
正确地选用实验关联式及性能指标，将对翅片管式换热器的优化设计及其制造提供可靠的依据。
关键词：翅片形式；管翅式；换热器；关联式；流动换热性能1 绪论1.1课题背景及研究意义换热器是国民生产中的重要设备，其应用遍及动力、冶金、化工、炼油、建筑、机械制造、食品、医药及航空等各工业部门。
例如，过路热力系统中的过热器、省煤器、空气预热器、凝汽器、除氧器、给水加热器、冷却塔等；金属冶炼系统中的热风炉、空气或煤气预热器、废热锅炉等；制冷及低温系统中的蒸发器、冷凝器、回热器等；石油化工工业中广泛采用的加热及冷却设备等，制糖工业和造纸工业的糖液蒸发器和纸浆蒸发器，这些都是换热器应用的大量实例。
它不但是一种广泛应用的通用设备，并且在某些工业企业中占有很重要的地位。
例如在是有化工工厂中，它的投资要占到整个建厂投资的1/5左右，它的重量站工艺设备总重的40%；在年产30万吨的乙烯装置中，它的投资站总投资的25%。
由于世界上燃煤、石油、天然气资源储量有限而面临这能源短缺的局面，各国都致力于新能源的开发，并积极开展预热回收及节能工作，因而换热器的应用又与能源的开发及节约有着密切的联系。
翅片管换热器传热特性的数值模拟研究的开题报告
翅片管换热器传热特性的数值模拟研究的开题报告一、选题背景及研究意义翅片管换热器作为一种常见的换热设备，在各种工业领域中广泛应用。
其优势在于具有较高的传热效率和达到较高的换热功率密度。
为了更好地了解其传热特性，需要对其进行数值模拟研究。
本文将针对翅片管换热器进行数值模拟研究，探讨其传热性能。
具体研究内容为：1）建立翅片管换热器的数值模型；2）分析不同数组方式和翅片参数对传热性能的影响；3）分析流体热物性参数对传热性能的影响；4）探讨翅片管换热器的优化设计。
此项研究具有重要的理论和实际意义。
理论上，研究翅片管换热器的传热特性，可以深入了解其换热信号，为设计和优化提供基础数据。
在实践中，通过有效的设计和优化翅片管换热器，减少能源消耗，提高生产效率，降低生产成本，具有重要的经济和社会意义。
二、研究内容和方法1.建立数值模型由于翅片管换热器的几何形状复杂，一般采用计算流体力学（CFD）方法进行数值模拟，以获得其传热性能。
本文将采用ANSYS Fluent软件建立封闭式水冷翅片管换热器的三维数值模型，模拟翅片管换热器的传热特性。
2.分析不同数组方式和翅片参数对传热性能的影响本文将选取不同数组方式和翅片参数，分别对其不同的传热性能进行分析研究。
分析各种参数对翅片管换热器传热效率影响的规律，为翅片管换热器的优化设计提供理论依据。
3.分析流体热物性参数对传热性能的影响流体热物性参数包括热导率、比热容和密度等，都是影响翅片管换热器传热性能的重要因素。
本文将在研究过程中分析这些参数对传热性能的影响。
4.探讨翅片管换热器的优化设计基于数值模拟结果及分析，根据目标要求，针对翅片管换热器进行有效的优化设计，提高其传热效率，降低运行成本，达到节能减排的目的。
三、预期研究成果1. 建立封闭式水冷翅片管换热器的数值模型，并进行合理的验证。
2. 探究不同数组方式和翅片参数对传热性能的影响规律。
3. 分析流体热物性参数对传热性能的影响规律。
翅片管式换热器的数值模拟与优化
CHEMICAL INDUSTRY AND ENGINEERING PROGRESS 2010年第 29卷增刊 ·82·化工进展翅片管式换热器的数值模拟与优化司子辉,张燕,康一亭,欧顺冰(西华大学能源与环境学院,四川成都 610039摘要:利用 FLUENT 数值模拟方法,研究两种翅片(波纹三对称穿孔翅片与波纹翅片的表面流动性与传热性,得到不同风速表面传热系数的分布。
表面传热系数模拟结果与实验数据的误差为 5%~10%,证明该模拟方法的正确性。
研究结果表明:当气流速度不同时,波纹三对称穿孔翅片表面传热系数比波纹翅片表面传热系数高20%~28%,节约能耗,强化传热。
关键词:翅片;数值模拟;表面传热系数中图分类号:TB 657.5; TQ 008 文献标志码:A 文章编号:1000– 6613(2010 S2–082– 05Numerical simulation and optimization of finned tube heat exchanger SI Zihui , ZHANG Yan, KANG Yiting, OU Shunbing(School of Energy and Environment, Xihua University, Chengdu 610039, Sichuan , ChinaAbstract: The performance of surface flow and heat transfer of two kinds of different finned-tubes (wavy three symmetric holes fin surfaces and wavy fin surfaces are numerically studied by using FLUENT software, and distributions of convection heattransfer coefficients are obtained. The error of surface heat transfer coefficient between simulation results and experimental data ranges from 5% to 10%, which proves the feasibility of the simulation method. The results show that the convection heat transfer coefficients of the wavy three symmetric holes fin surfaces increase by 20%—28% compared to the wavy fin surfaces, thus saving energy and enhancing heat transfer.Key words: fin; numerical simulation; surface heat transfer coefficient翅片管式换热器应用广泛,其强化传热的数值模拟的研究一直是研究者普遍关注的课题。
翅片式风冷换热器设计
翅片式风冷换热器设计一、设计原理翅片式风冷换热器由翅片管和冷却风机组成。
工作时，热媒流经管道，通过管道壁与外界冷却空气进行热量交换，从而将热量传递给空气。
同时，冷却风机通过流过翅片管的冷却空气，将其吹入翅片间隙，增加换热面积，提高换热效率。
二、换热器设计参数1.翅片管长度和直径翅片管长度和直径的选择应根据换热器的工作条件来确定。
一般来说，较长的翅片管长度可以增加换热面积，提高换热效率，但也会增加阻力和成本。
而较大的翅片管直径可以增加流体的流量和传热量，但同样也会增加阻力和成本。
2.翅片间距和数量翅片间距和数量的选择需要根据换热介质的温度和流速来确定。
较小的翅片间距可以增加换热面积，提高换热效率，但也会增加阻力。
翅片数量应根据实际需求来确定，一般来说，较大的翅片数可以增加换热面积，提高换热效率，但也会增加成本和复杂性。
3.翅片高度和厚度翅片高度和厚度的选择应根据换热介质的温度和流速以及换热需求来确定。
较大的翅片高度和厚度可以增加换热面积，提高换热效率，但也会增加阻力和成本。
三、翅片式风冷换热器的工作原理具体工作流程如下：1.热媒从换热器的进口进入管道，流经管道内部。
2.在管道内部，热媒通过管道壁与外界冷却空气进行热量交换。
热媒的热量传递给冷却空气，使其升温。
3.升温的冷却空气经过冷却风机的吹扫，被吹入翅片间隙。
4.在翅片间隙中，冷却空气与翅片接触，进行热量交换。
冷却空气吸收翅片的热量，并将其带走。
5.冷却的热媒经过管道进一步流动，从换热器的出口排出。
四、翅片式风冷换热器的优缺点1.结构紧凑，占用空间小。
由于翅片式风冷换热器利用翅片增加了换热面积，故相同换热量下其体积相对较小。
2.热量传递效率高。
翅片式风冷换热器具有较大的换热面积，能够实现高效的热量传递。
3.适用范围广。
翅片式风冷换热器适用于多种介质的换热，例如空气、水等。
1.清洗困难。
由于翅片之间的间隙较小，难以将污物清洗干净。
2.阻力较大。
翅片式风冷换热器会增加流体的阻力，降低了流体的流动速度。
翅片管式换热器空气侧性能的数值模拟
文章编号:CAR105翅片管式换热器空气侧性能的数值模拟陈莹1高飞1高冈大造1徐林虓1李维仲2左建国2(1三洋电机(中国有限公司大连分公司2大连理工大学能源与动力学院摘要采用数值模拟的方法对翅片间距为1.6mm的波纹翅片管换热器的性能进行了研究,考察了在不同的迎面风速条件下1-5列换热器空气侧的换热和压降特性。
得到了翅片表面温度分布、压力分布等结果,分析了迎面风速对翅片表面的温度、空气流动的影响。
数值模拟结果与在相同条件下的试验结果进行了对比,对数值模拟结果的准确性进行了验证。
关键词波纹翅片换热器数值模拟换热系数压力损失NUMERICAL SIMULATION OF AIR-SIDE PERFORMANCE OFFINNED TUBE HEAT EXCHANGERChen Ying1 Gao Fei1 Daizo Takaoka1 Xu Linxiao1 Li Weizhong2 Zuo Jianguo2(1 SANYO Electric(ChinaCo.Ltd. Dalian Branch Research Dept2 Energy and Power Department of DLUTAbstract The performance of corrugated finned tube heat exchangers are simulated, the characteristic of air side heat transfer and friction of 1-5 rows heat exchangers are investigated under different frontal velocities. The results of temperature profile and pressure profile on fin surface are achieved. The effect of frontal velocity with the fin surface temperature and air flow is analyzed. The numerical results are validated by comparing with the experimental results under the same boundary conditions.Keywords Corrugated fin Heat exchanger Numerical simulation Heat tranfer coefficient Pressure drop0 引言管翅式换热器被大家广为关注[1,2,3],因此,对于管翅式换热器的换热及阻力性能的研究,具有重要意义。
空气循环制冷系统中板翅式换热器性能的数值模拟
直接销售为 主， 无 品牌 产 品 居 多 。初 加 工 产 品 以 干 果 和 冷冻 果 为 主 ， 纯果 浆 仅 占较 小 的 比率 ， 但 纯 果 浆 在 生 产
和 流 通 中存 在 的 问 题 较 多 ， 如包装简 陋 （ 通 常 为 塑 料 桶
食 品 与 加 工
猛， 由于 酒 类 的 酿 造 工 艺 要 求 原 料 果 含 量 较 高 ， 营 养 成
分较之果汁要求偏高 ， 具 有 一 定 的 滋 补 和 保 健 功 效 。不 同 品牌 的蓝 莓 酒 大 概 有 ２ ０多 个 品种 ， 生 产 企 业 均 分 布 在野生蓝莓产地 ， 只有 青 岛一 家是 委 托 加 工 的形 式 。
高 蓝 莓 的综 合 经 济 收 益 。
参考文献 ：
［ １ ］张广 燕 ， 刘云强 ， 徐 ［ ２ ］刘 凌． 蓝莓加工及贮藏保鲜技术 ［ Ｊ ］ ． 辽 宁 农 业
职业 技 术 学 院学 报 ， ２ ０ １ ３ ， １ ５ （ ２ ） ： １ ２ ～１ ３ ．
蓝 莓 果 汁 是 以蓝 莓 为 主 要 原 料 ， 通 过 添 加 适 当 的甜 味剂 、 酸度调 节 剂等 ， 研制 出的风 味独 特 的果 汁饮 料 。 蓝 莓 果 汁是 中 国 目前 市 场 上 最 主 要 的蓝 莓 加 工 品 ， 在 品 牌数量 、 消费总 量 、 知 名度 方 面均 处 于加 工 品的前 列 。 中 国市 场拥 有 独立 品 牌 （ 不 考虑包装 容量 ） 的 蓝 莓 果 汁 品种约 ３ Ｏ余 种 。 ３ ． ４ 蓝 莓 果酒
（ ９ ）． ］ ６ ８ ．
一 ＝ 萋 一
（ 上接第 ３ １ ６页 ）
散热器翅片长度对散热能力影响的仿真
散热器翅片长度对散热能力影响的仿真散热器是一种用于散热的装置，主要用于电子设备、发动机和其他高功率设备的冷却。
散热器通常由多个平行排列的翅片组成，这些翅片能够增加散热器的表面积，从而提高散热效果。
本文将通过仿真，研究散热器翅片长度对其散热能力的影响。
首先，我们需要建立散热器的数学模型。
假设散热器的翅片是平行排列的，翅片之间的间隔很小，可以忽略不计。
我们将翅片的长度设为L，宽度设为W，厚度设为T。
散热器的底部和顶部是平行的，设为温度T1和T2根据热传导定律，散热器翅片上的热流密度Q与温度差ΔT成正比，与翅片长度L、翅片宽度W和翅片厚度T成反比。
具体而言，可以使用如下公式来表示：Q=k*(T1-T2)*(L/(W*T))其中，k是散热系数，表示材料的导热性能。
为了研究散热器翅片长度对散热能力的影响，我们需要进行数值仿真。
可以使用计算机软件如ANSYS或COMSOL Multiphysics来进行仿真。
首先，我们需要将散热器的几何参数输入到仿真软件中，包括翅片长度L、宽度W和厚度T，以及底部和顶部的温度T1和T2然后，我们需要设置材料的导热系数k。
根据散热器的实际材料，可以通过文献或实验来获取这个数值。
接下来，我们需要设置边界条件。
底部的温度T1是已知的，可以设置为一个固定值。
顶部的温度T2是未知的，需要通过仿真计算得到。
我们可以假设初始时T2与T1相等。
然后，我们可以进行数值迭代计算。
首先，根据已知的边界条件和翅片的几何参数，计算出翅片上的热流密度Q。
然后，根据热传导定律，计算出翅片顶部的温度T2、再次计算翅片上的热流密度Q，然后更新翅片顶部的温度T2、重复这个过程，直到计算结果收敛。
最后，我们可以根据仿真结果，分析散热器翅片长度对散热能力的影响。
可以绘制翅片长度L与散热能力之间的关系曲线，观察其变化趋势。
同时，可以定量地计算出散热器的散热能力，如平均散热功率或温度降。
根据这些结果，可以优化散热器的设计，以提高其散热性能。
叉流风冷翅片管冷凝器仿真试验研究
中 图分 类 号 ： Ｔ Ｈ １ ２ ； Ｔ Ｂ ６ 文献标识码 ： Ａ ｄ ｏ ｉ ： １ ０ ． ３ ９ ６ ９ ／ ｊ ． ｉ ｓ ｓ ｎ ． １ ０ ０ ５— ０ ３ ２ ９ ． ２ ０ １ ３ ． ０ ２ ． ０ １ ２
Ｓ ｉ ｍｕ ｌ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｏ ｆ ａ Ｃｒ ｏ ｓ ｓ ｉ ｎｇ ｓ ｔ ｒ ｅ ａ ｍ Ｆｉ ｎ ａ ｎｄ Ｔｕ ｂｅ Ｃｏ ｎｄ ｅ ｎ ｓ ｅ ｒ
符。
（ ４ ） 制冷剂在管内为均相流动 ， 无压降 ； （ ５ ） 制冷剂沿管径 向传热 ， 换热管沿轴 向及
与其 相邻 翅 片间无 换热 ； （ ６ ） 忽 略翅 片与 换 热 管 间 的接触 热 阻 和管 壁
的导热热 阻 ；
（ ７ ） 弯头 处不 与空气 发生 换热 。
２ ． ２ 物 理模 型 简化
５ ８
Ｆ ＬＵＩ Ｄ ＭＡＣＨＩ ＮＥＲＹ
Ｖｏ １ ． ４１， Ｎｏ ． ２， ２ ０ ０ ３ ２ ９ （ ２ ０ １ ３ ） ０ ２— ０ ０ ５ ８— ０ ３
叉流风冷翅 片管冷凝 器仿真试验研究
顾 克东 。 吴俊 云
（ １ ． 上海海立特种制冷设备有 限公 司， 上海 ２ ０ ０ ０ ９ ０ ； ２ ． 上海理工大学 ， 上海 ２ ０ ０ ０ ９ ３ ） 摘 要 ： 考 虑翅 片管 风冷冷凝器又 流换热实 际情况 ， 建立其稳态分布参数模型对其进行仿真研究 ， 并 与试 验进行对 比， 仿真结果误差 ５ ％以 内。仿真结果 表明考虑叉流换热简化假设 比较接近实际 ， 仿真 的可信度较高 。
本文 针对叉 流 风 冷 翅 片管 冷 凝 器 ， 考 虑 其 叉 流换 热实 际情 况 ， 建 立 稳态 分 布 参 数模 型对 其 进 行仿 真研 究 。
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风冷翅片式热管散热器的性能仿真探究
摘要：本文开展了风冷翅片式热管散热器的模拟仿真分析研究，得到了散热
器内热管、铜板和翅片的温度分布规律，并采用理论分析与有限元分析相结合的
方法，研究了冷冻柜平均温度和制冷量随时间的变化。
关键词：风冷翅片式；热管散热器；性能仿真；
1 风冷翅片式热管散热器概述
风冷翅片式热管散热器概述随着我国工业的飞速发展，大量的低温介质如LNG、液氧、液氮等，广泛应用在石油化工、天然气、航空航天等领域，而制冷
片是储存与输送低温介质的关键设备。
低温介质的危险性对制冷片的安全运行提
出了更高的要求。
制冷片密封填料的稳定性，是保障制冷片长周期运行的关键因
素之一。
半导体制冷片的制冷性能和制冷片冷热两端的温差相关，温差越小，制
冷效率越高。
因此，为了提高半导体制冷片热端的散热能力，本文选择使用热管
散热器，并用数值模拟的方法研究了热管散热器的温度分布并与实验结果对比。
此外，为了研究风冷翅片式热管散热器特性，为此，风冷翅片式热管散热器在设
计时常采用加长阀盖的方式，以保证填料温度高于0℃，同时在阀盖表面安装环
形翅片（翅片式阀盖），不但可以防止冷凝水滴入阀体保冷层，还可以提高填料
温度，减少阀盖长度，从而降低生产成本，弥补低温阀门安装、运输不便等缺点。
在以往的研究中，关于翅片盖温度场的影响分析较少，缺乏较为完善的理论模型。
2 热管散热器
在几何和传热上均对称，因此在仿真过程中，为了减少网格数量，提升计算
效率，只需要对热管散热器的1/4进行仿真，简化后的热管散热器仿真的几何模
型以及热源条件如图1（b）所示。
本文在仿真模型参数选取过程中，参考了前期
已获取的实验研究数据。
按照热管散热器的工作状态，针对图1中的仿真模型设
定了边界条件，主要包括两个进口，一个出口以及两个对称面；进口条件设定为
压力进口，出口条件设定为出风风扇，并且在Fluent中设定线性风扇曲线，设
定的风扇模型与实验中的风扇特性曲线基本保持一致。
在本文的仿真研究中，湍流模型采用了FLUENT中的SSTk-ω湍流模型。
分别给定热管蒸发段，绝热段以及冷凝段不同的等效导热系数，将其简化为单相导热过程。
由于热管蒸发段与冷凝段均为相变传热，因此它们的等效导热系数普遍取值相对较大，为16 kW.m-1.K-1；绝热段不参与换热，仅为气液相传热工质的流过程，因此其等效导热系数取值相对较小，取值为10 kW.m-1.K-1。
（a）整体外观示意图
（b）仿真部分示意图
图 1 热管散热器及流体域仿真模型
3 仿真结果与讨论
3.1 热管散热器数值仿真
在热管散热器的仿真研究中计算了热管散热器的铜板温度、热管温度以及末端散热翅片温度，并通过对监测点仿真结果与实验中的测量结果相比较，来检验热管传热模型以及热管散热器散热模型的准确性。
图2为热管散热器的温度分布示意图。
从图中可以看出，热管散热器的温度范围为27.7 ℃~43.3 ℃，最高点温度与最低点温度存在着15.6 ℃的温差，整体温差较大。
图2（a）为热管散热
器铜板的温度分布示意图。
从图中可以看出，铜板的温度范围为
40.7 ℃~43.3 ℃，温度最高点与最低点存在着2.6 ℃的温差，铜板的均温性较好。
同时还可以看出，铜板的中心，尤其是热源位置温度较高，而四周的温度较低，这是因为中心位置直接与热源位置重合，而热量在向铜板四周扩散的时候，大部分热量已经通过热管进行散热。
图2（b）为热管的温度分布示意图。
可以看出热管的温度范围为29.5 ℃~42.6 ℃，最大温差为13.1 ℃，热管整体的温差较大。
绝热段的温差最大，这是因为在仿真研究中，热管绝热段的等效导热系数较小，因此传热热阻较大。
同时还可以看出，位于热管散热器中间位置的热管的整体温度较高，两侧的热管的整体温度较低，这是因为中心位置的热管散热量较大，这与热源的布置位置，即半导体制冷片的布置位置有关。
（a浅黄色）铜板温度（b黄色）热管温度（c绿色）翅片温度
图 2 热管散热器温度分布
3.2 冷冻柜系统仿真
热管散热器仿真模型中，铜板底部的热流密度可以通过半导体片和冷柜的耦合模型来获取。
通过将半导体冷冻柜的系统仿真模型和热管散热器的数值仿真模型相结合，可以分析不同工作电流条件下热管散热器的散热特性。
图3展示了半导体冷冻柜柜内空气平均温度Tave随时间变化的仿真与实验结果对比。
从图中实验曲线可以看出，半导体冷冻柜柜内温度的降低速率较快，运行120分钟后Tave降低至-18.0 ℃以下，最终Tave稳定在-19.3 ℃。
而在仿真结果中，冷冻柜运行75分钟后Tave降低至-18.0 ℃以下，最终Tave稳定在-20.8 ℃，跟实验结果相比Tave相差1.5 ℃；总体来说，仿真结果和实验结果吻合较好。
图4展示了半导体冷冻柜运行时半导体制冷模块的制冷量Qc随时间变化的仿真结果。
从图中可以看出，当半导体冷冻柜刚开始运行时，由于冷冻柜内外温差较小，半导体制冷模块冷热端的温差也较小，因此这个时候制冷量较大，可以达到77.7 W。
而随着半导体冷冻柜的运行，柜内温度逐渐降低，冷柜内外温差增大，因此半导体制冷模块冷热端温差也逐渐增大，导致Qc逐渐减小。
当半导体冷冻柜柜内温度达到稳定后，半导体制冷模块的制冷量也趋于稳定，为61.9 W，此时对应的实验中半导体冷冻柜柜内温度稳定时制冷量为57.6W，仿真结果的相对误差为7.5%。
图 3冷冻柜T ave随时间变化的仿真与实验结果对比
图 4半导体冷冻柜Qc随时间变化的仿真结果
结论
本文通过CFD数值模拟方法研究热管散热器应用于半导体冷柜的温度分布，并将仿真结果和实验数据进行了对比。
此外，还通过建立半导体冷冻柜制冷系统
动态仿真模型研究了冷冻柜平均温度和制冷量随时间的变化。
由模拟和实验的结果分析得到以下结论：（1）通过等效导热系数方法简化的热管散热器的数值仿真模型能够准确地模拟出热管散热器的散热特性。
（2）热管散热器铜板的整体温差最小，热管的整体温差最大，且由于半导体片安装在中间，使铜板中间温度比四周更高，嵌入中间铜板的热管温度更高和靠近热源和中部的翅片温度更高。
（3）基于两级半导体制冷模块的计算模型和半导体冷冻柜柜体的传热模型耦合而成的半导体冷冻柜的动态仿真模型能准确描述半导体冷冻柜的动态特性。
参考文献：
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[2] 吴堂荣，唐勇，孙晔，等.风冷翅片式热管散热器的性能仿真设计研究[J]. 船舶工程，2010，32(s2)：173-178.
[3] 明友，陈凤宫，等.基于风冷翅片式热管散热器的性能传热学分析 [J]. 低温与超导，2013，41(11)：128-131.。