【摘要】：空氣冷卻器以管外空氣掠過管束帶走熱媒熱量,在石油化工行業(yè)熱冷卻流程中占有十分重要的地位。翅片管束用于空冷,憑借其翅化表面,有效提高了空冷器熱交換效率。而目前對于翅片管束用于噴淋式蒸發(fā)冷卻換熱研究公開發(fā)表文獻(xiàn)較少,尤其對翅片管束用于表面蒸發(fā)冷卻設(shè)計(jì)計(jì)算方法有待進(jìn)一步研究。本文以工業(yè)用空冷裝置為模板搭建了實(shí)驗(yàn)平臺,給出了分析翅片管束表面蒸發(fā)冷的熱力學(xué)特性的一種理論計(jì)算方法。由傳熱增強(qiáng)比對翅片管束進(jìn)行了結(jié)構(gòu)參數(shù)對傳熱影響分析。由干式翅片管束空冷實(shí)驗(yàn)擬合了工業(yè)用傳熱及管束壓降關(guān)聯(lián)式。完成了干式空冷三維翅片管束數(shù)值模擬,深入解析了翅片管束干式空冷傳熱與壓降機(jī)理。進(jìn)行了翅片管束表面蒸發(fā)冷實(shí)驗(yàn),研究了水膜及相對濕度變化對換熱影響,給出了翅片管束表面蒸發(fā)冷熱質(zhì)傳遞與壓降關(guān)聯(lián)式,彌補(bǔ)了翅片管束表面蒸發(fā)冷計(jì)算研究。建立了翅片管束表面蒸發(fā)冷有限差分方程組,進(jìn)行了整體翅片管束表面蒸發(fā)冷熱質(zhì)傳遞特性分析,**采用離散相模型(discrete phase model),歐拉壁面液膜模型(Eulerian wall film model)與組分輸運(yùn)模型(mixture species transport model)耦合來進(jìn)行三維CFD模擬研究多參數(shù)對翅片管束表面蒸發(fā)冷影響。主要研究工作及結(jié)論如下:(1)給出了分析翅片管束表面蒸發(fā)冷的熱力學(xué)特性的一種理論計(jì)算方法,由傳熱增強(qiáng)比對翅片管束進(jìn)行結(jié)構(gòu)參數(shù)對傳熱影響分析,翅片高度增加相較于光管強(qiáng)化了傳熱,但這種強(qiáng)化傳熱效果會隨著翅片高度增加逐漸減弱,不能使傳熱量無限增加。熱傳遞由于翅片厚度、密度及導(dǎo)熱系數(shù)增加而得到強(qiáng)化,對干、濕工況下翅片微元的傳熱傳質(zhì)特性進(jìn)行了方程組數(shù)值求解,得到了翅片微元溫度、水膜溫度、熱量分布、翅片效率及翅片熱阻等重要參數(shù)的數(shù)值解。(2)搭建了翅片管束空冷中試實(shí)驗(yàn)平臺,實(shí)驗(yàn)表明高翅片管束能夠在低溫環(huán)境下取代常態(tài)運(yùn)行光管濕式空冷,滿足熱工藝要求,達(dá)到節(jié)水目的,依托本文實(shí)驗(yàn)裝置數(shù)據(jù)擬合得到用于翅片管束干式空冷管外傳熱與壓降關(guān)聯(lián)式,具有工業(yè)應(yīng)用價(jià)值。(3)由翅片管束干工況空冷實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)為邊界進(jìn)行三維翅片干式空冷數(shù)值模擬,定義翅片迎風(fēng)頂點(diǎn)為0°,翅片180°位置附近出現(xiàn)尾部回流區(qū),標(biāo)準(zhǔn)管間距排布時(shí),管束上游高度不穩(wěn)定尾流能夠促進(jìn)下游傳熱。空氣在翅頂處發(fā)生轉(zhuǎn)向,而后在翅前段形成渦,單個(gè)翅片前段的旋渦不斷形成與脫落使得溫度邊界層不斷更新,翅片前段傳熱系數(shù)高。低進(jìn)口風(fēng)溫下翅片間空氣溫度梯度要大于高進(jìn)口風(fēng)溫下溫度梯度,揭示了低進(jìn)口風(fēng)溫下傳熱強(qiáng)化機(jī)理。(4)搭建了翅片管束表面蒸發(fā)冷實(shí)驗(yàn)平臺,研究了水膜變化對于傳熱影響,水膜厚度增加能夠帶來傳熱量的增加,且除空氣流速與噴淋水因素外,管束外熱質(zhì)傳遞過程還與進(jìn)風(fēng)環(huán)境相對濕度有關(guān),管束表面水膜同空氣間水蒸汽分壓伴隨進(jìn)風(fēng)環(huán)境相對濕度變大而減小,從而使其傳質(zhì)推動(dòng)力減弱,傳熱量減小。給出了翅片管束表面蒸發(fā)冷擬合熱質(zhì)傳遞與壓降關(guān)聯(lián)式,其對翅片管束表面蒸發(fā)空冷器設(shè)計(jì)提供依據(jù)。(5)基于偏微分方程替代法及能量平衡法,建立翅片管束表面蒸發(fā)冷熱質(zhì)傳遞有限差分方程組,得到了描述翅片管束蒸發(fā)冷熱質(zhì)傳遞特性參數(shù),可進(jìn)行整體翅片管束表面蒸發(fā)冷熱質(zhì)傳遞特性分析。由上至下管排劉易斯因子增加,在下部管排劉易斯因子增加趨于平緩,管排濃度和溫度邊界層相對更新速率由上至下減弱,上排管束相對下排管束發(fā)生著更為強(qiáng)烈的水膜蒸發(fā)。管外水膜同空氣間熱量交換中以潛熱為主。低溫環(huán)境下表面蒸發(fā)冷具有明顯高的(?)利用效率。(6)建立了翅片外徑42mm、50mm及57mm多種結(jié)構(gòu)翅片管束三維模型,**采用離散相模型(DPM),歐拉壁面液膜模型(EWF)與組分輸運(yùn)模型(MST)耦合模擬研究多結(jié)構(gòu)參數(shù)三維翅片管束表面蒸發(fā)冷特性。對空氣質(zhì)量流量、噴淋強(qiáng)度、翅片高度、管束排布及翅片間距等關(guān)鍵變量對表面蒸發(fā)冷影響進(jìn)行了分析。利用場協(xié)同理論與范寧摩擦因子得到綜合評價(jià)準(zhǔn)則,即綜合性能因子來分析多結(jié)構(gòu)參數(shù)翅片管束表面蒸發(fā)冷性能,空氣質(zhì)量流量、噴淋強(qiáng)度及翅片高度的增加都提高了綜合性能因子,提高表面蒸發(fā)冷綜合性能。當(dāng)Re超過2820時(shí),管排數(shù)的增加帶來的翅片管束壓降特性變化要比傳熱特性變化強(qiáng)烈,即管排數(shù)越多的翅片管束綜合性能越差。翅片間距減小,翅間溫度邊界層梯度小,翅片管束表面蒸發(fā)冷熱質(zhì)傳遞效率降低,壓降升高,管束綜合性能下降。在翅片管束表面蒸發(fā)冷工業(yè)應(yīng)用中所選翅間距應(yīng)不小于3mm。