螺旋微肋管腔体吸热器强化换热特性研究_张寅生.pdf
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1、 收稿日期:基金项目:内蒙古自然科学基金资助项目()作者简介:张寅生(),男,山东潍坊人,硕士研究生,从事热能工程研究。螺旋微肋管腔体吸热器强化换热特性研究张寅生,胡俊虎,刘 浩,胡凯强(内蒙古工业大学 能源与动力工程学院,内蒙古 呼和浩特;内蒙古可再生能源重点实验室,内蒙古 呼和浩特)摘 要:吸热器作为碟式太阳能聚光集热系统的核心部件,其光热转换效率的提高具有重大意义。采用实验与 模拟相结合的方法,探究 圆柱腔体吸热器和螺旋微肋盘管组装模型的换热特性,研究表明,直径 螺距的微肋丝结构涡流和二次流形成效果较为明显,综合换热效果较好。换热实验中,微肋丝能够加强流体的扰动,有效削减流体的径向温差;
2、入口流量的换热温升效果较为明显。光热转换实验中,吸热器热损与入口流量呈负相关,之后达到最低;吸热器的光热转换效率与腔体工质温差的变化呈负相关,最高可以达到。关键词:吸热器;螺旋微肋盘管;流体特性;换热实验;光热转化中图分类号:文献标识码:文章编号:(),(,;,):,:;引 言管内强化传热的方法分为三大类:主动强化,通过外部能量输入来增强换热,如外加磁场电场、表面振动等;被动强化,通过改变表面或整体结构来提高传热效率,如旋流装置、表面处理等;复合强化,以上任意两种方法的组合,如内插扭曲带的盘管等。国外相关方面的研究如:研究了带有三角形小翼的三角形管道内流场情况;热能动力DOI:10.16189
3、/ki.nygc.2023.02.001 年,第 期 模拟了带有 形挡板方形管道内的流动状态。在国内,李凡对布有涡发生器小翼的圆管结构进行了内部流动数值模拟和优化;吕金艺通过火用损分析研究管内带有中心倾斜导流器这种新型插入物的换热情况;李朝研发一种新型的管内扰流元件 增强复合螺旋内插件,通过具体的实验研究了不同结构内插件的工作特性和换热性能;杨江波对三角形、矩形、扇形三种肋片结构的环状内肋换热管进行了对比分析,研究了管内流体的流动和换热特性,并进行了优化设计;宋磊研究了带有不同尺寸结构螺旋翅片的热管换热器的换热性能分析以及各种性能参数提升效果分析。于洋进行了内插螺旋带的泡沫金属换热管的流动及换
4、热特性研究,着重分析了带的扭转角度对换热性能的影响;蒋运聪采用了数值模拟的方法,在稳态流动和脉动流动情况下,对矩形槽道内加装不同开槽涡流发生器的强化换热及流动阻力进行了分析研究。本文主要针对内插微肋丝的螺旋盘管,采用 模拟与实验相结合的方法,研究了微肋丝的结构参数对换热过程的影响,对比分析强化换热的提升效果,结合了边界层理论及场分析理论探究其强化原理。螺旋微肋管的模拟与实验 几何模型的简化及网格划分本文通过改变微肋丝的直径及螺距,建立了一系列的换热模型,通过对模型进行模拟分析可得,管内流动具有一定的周期性,所以选取如图 所示的螺旋微肋盘管用于 模拟。图 为螺旋微肋管的结构示意图,表征了螺旋微肋
5、管的位置及尺寸特征。为方便模拟计算,对螺旋微肋管的物理模型进行适当的简化假设:)管内流体为不可压缩流体,且管内流动过程为充分发展的三维定常湍流流动;)各种工况下的流体物性参数不随温度等因素发生变化;)换热壁面温度保持恒定,接触面为无滑移边界,且忽略壁厚的影响。换热过程发生于边界层内,所以对固液壁面的网格进行了加密处理,添加膨胀层,并能通过网格的独立性验证得到合适的网格尺寸。图 为具体的网格结构示意图。图 螺旋微肋管结构示意图图 网格结构示意图 控制方程及边界条件设置流体的动力特性符合守恒定律(质量守恒、动量守恒),同样建立新型螺旋微肋盘管的 模型时需要求解流体介质的连续性方程()和动量方程()
6、,表达式如下()()()()()热能动力 式中:为流体密度;为时间;为相对于坐标系的速度矢量;为质量源;为静压;为应力张量;为重力加速度;是外部压力。固体域选用铜,流体域选用水,计算域内采用速度入口边界条件,入口温度为。为更好地解决回流问题,出口设为压力出口,采用恒温方式对管内流体进行加热,壁面温度设置为 ,采用无滑移壁面条件;选择 湍流模型,强度为。求解设置及收敛性判断选择基于压力的、分离隐式求解器稳态计算;对于压力和速度的耦合迭代选用 算法,松弛因子全部选择默认即可,不做改变;为保证计算精度,对动量、能量以及湍流变量的离散均采用二阶迎风格式;定义新型螺旋微肋盘管传热数值模拟的收敛条件为质量
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