大功率百葉窗式冷凝器強化傳熱研究.pdf

1、百葉窗翅片結構具有良好的換熱效果，廣泛應用于汽車空調器，代表間斷式擴展表面良好的強化傳熱技術。本文結合CRH2動車組牽引供電系統(tǒng)的主變流器相變傳熱冷卻系統(tǒng)，采用百葉窗翅片代替原有平直翅片結構，基于大渦數值模擬，進行大尺寸百葉窗翅片結構的流動與傳熱特性分析和大功率冷凝器空氣側的強化傳熱分析，提高變流器冷卻系統(tǒng)的整體換熱性能，實現(xiàn)冷凝器的輕型、高效和節(jié)能減排，并為電力器件相變傳熱冷卻系統(tǒng)設計提供理論依據和應用參考。
　　(1)建立了一

2、套比較完善的百葉窗翅片陣列數值計算模型，著重分析了等效熱源邊界條件參數設定、幾何模型、流態(tài)描述模型、數據處理方法等，數值計算結果與相關實驗研究原始數據比較表明，小尺寸百葉窗翅片采用層流模型即可，而對于大尺寸情形，基于百葉窗間距Lp的雷諾數ReLP超過2000，采用帶平臺和過渡區(qū)模型的大渦模擬計算比較合理。
　　(2)在數值計算模型和方法充分論證基礎上，對大尺寸平直翅片和百葉窗翅片結構的流動與傳熱性能比較可知，百葉窗翅片的綜合性能優(yōu)

3、于平直翅片，冷凝器外觀尺寸相同條件下，采用百葉窗翅片結構的換熱能力和有效度比平直翅片情形提高40％以上。
　　(3)針對大尺寸百葉窗翅片陣列的大渦模擬計算，探討了包括百葉窗角度、窗翅間距比、翅片厚度、流動長度、百葉窗高度等結構參數的單參數影響規(guī)律，引入場協(xié)同原理分析了不同幾何結構參數工況下的流動與換熱特征，并提取了合理的關聯(lián)參數，給出了不同于文獻中的熱水力特性f、j因子關聯(lián)式。發(fā)現(xiàn)傾斜百葉片間隙開度分數LFA=(Lp/Fp)tan

4、Lα可用于描述不同百葉角、窗翅間距比情形的流動與傳熱特性規(guī)律劃分，換熱效果較好情形出現(xiàn)在0.75≤LFA≤0.858范圍內。對于翅片厚度情形，應采用δ/Fth來分段劃分流動與傳熱特性。平均壓力降隨流動長度、窗翅間距比呈指數關系增加。不同流動長度情形，傳熱系數差異較小；傳熱系數與窗翅間距比之間也近似為指數關系。
　　(4)基于熱水力特性的無量綱處理，采用性噪比SN分析了不同結構參數在換熱效果較好時的幾種控制因子水平，可知，窗翅間距比

5、Lp/Fp的貢獻率最大，為34.14％，翅片厚度Fth、流動長度Fd的貢獻率29.652％、16.293％次之，百葉角Lα的貢獻率最小為8.364％。若不限制換熱效果，百葉角在15°-30°范圍內，窗翅間距比變化范圍較廣時，則貢獻率從大到小依次為窗翅間距比、百葉角、翅片厚度、流動長度、翅片高度。
　　(5)采用體積品質因子、面積功率因子、最小泵功率法、最小熵增法、最小火積耗散原理等評價指標，進行大尺寸百葉窗翅片陣列熱水力性能優(yōu)劣分

6、析。當以最小迎風面積為目標時，較小的翅片厚度和較大的窗翅高度比性能較好。當以最小泵功率為目標時，單位面積傳熱能力相同條件下，流動長度或窗翅間距比較小時熱水力特性較好。當以最小熵增法為評價指標時，在滿足相同換熱量條件下，較大流動長度、窗翅間距比和較小窗翅高度比結構參數組合的性能較好；翅片厚度和百葉角對熵增速率影響可忽略。此外，流動長度、窗翅間距比、窗翅高度比越大，火積耗散越小，翅片表面性能越好。
　　(6)建立了沸騰-冷凝相變冷卻系

7、統(tǒng)傳熱過程的熱阻網絡分析模型，計算分析表明，采用流動長度為240mm、160mm的百葉窗翅片結構時，空氣側熱阻比240mm的平直翅片結構情形分別約減小58％、36％，整體性能得到較大改善。蒸發(fā)段液池內沸騰傳熱熱阻僅次于空氣側熱阻，尤其是采用百葉窗翅片時，沸騰傳熱熱阻比重增至30～40％。扁管壁面導熱熱阻和冷凝段凝結傳熱熱阻很小，可以忽略。原有冷卻系統(tǒng)采用160mm的百葉窗翅片即可滿足要求，冷凝器外觀體積、重量減小1/3。當換熱量由10k