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摘要：针对换热器热交换不充分的问题，研究给定结构壳管式换热器热空气流速以及传热温差对其传热系数的影响，把不同的传热温差，不同的气体流速下的实验数据进行分组，采用控制变量法，分别对以上两个因素的单独进行分析，做出kΔT，kv的拟合曲线，得到经验函数。取整个换热器为研究对象，采用数值模拟的方法，运用多孔介质，kε模型，采用二阶迎风模式，压力速度耦合運用SIMPLE算法，给出整个换热器的温度场以及传热系数的分布规律，最终给出以上两个因素对传热系数的影响趋势。
关键词：换热器，传热系数，流速，传热温差DOI：1015938/jjhust201702006
中图分类号： TK124文献标志码： A文章编号： 1007-2683（2017）02-0029-05Influence on Heat
Abstract：Aimed to insufficient heat transfer of heat exchanger， research the influence on the heat transfer coefficient impacted by velocity and heat transfer temperature difference of tube heat exchanger. According to the different heat transfer temperature difference and gas velocity， the experimental data were divided into group. Using the control variable method， the above two factors were analyzed separately. K-ΔT and k-v fitting curve were done to obtain empirical function. The entire heat exchanger is as the study object， using numerical simulation methods， porous media， k-ε model， second order upwind mode， and pressure-velocity coupling with SIMPLE algorithm， the entire heat exchanger temperature field and the heat transfer coefficient distribution were given. Finally the trend of the heat transfer coefficient effected by the above two factors was gotten.
Keywords：heat Exchanger； heat transfer coefficient； velocity； heat transfer temperature difference
0引言
随着人们节能意识的提高，如何有效及最大限度地利用现有能源，成为人们关注的焦点。本文针对给定结构的管壳式换热器，在不同的传热温差以及不同热空气流速下，分析传热系数的变化趋势，对实验数据进行归类分析，做出传热系数与传热温差的分布关系散点图以及传热系数与热空气流速的散点图，并进行拟合，分析引起其变化趋势的原因，在此基础上进行数值模拟[1-3]，研究换热器内部的温度分布[4-6]，分析传热温差和热空气流速对换热器传热系数[7-10]的影响。
1模型
11物理模型及网格划分
该管壳式换热器几何尺寸为609×609×916 mm，管道采用错列排布，管道数量为12×19+11×18根，取整个换热器为研究对象，换热器的结构图如图1所示。管内为冷空气管外为热空气。
热空气从侧面横向冲刷管道，管内流通冷空气，这种流通方式可理想化为逆流。将换热器分为2个区域，网格的划分采用六面体网格，管壁采用耦合的方法简化，计算时采用二阶迎风模式，压力速度耦合采用SIMPLE算法[11-12]，稳态求解，最终得到整个换热器的湍流流动与传热耦合计算的网格独立解[13-15]。
12数学模型
在v=279 m/s的情况下对其进行数值模拟得到传热系数的云图如图4所示：
在平均对数传热温差ΔT=733℃通过数值模拟得到的平均传热系数k1=3098 w/m2K，而由拟合公式所得的结果为k2=2847 w/m2K，实际的传热系数为k=2612 w/m2K，误差Δk1=1861%，误差 Δk2=899%；可见拟合所得的结果是比较合理的。将平均对数传热温差提高到100倍，其余的条件不变，采用同样的边界条件，进行数值模拟，得到传热系数的云图如图5所示。
数值模拟得到的平均传热系数为k1=3425 w/m2K传热系数增加71%，可见传热温差超出一定范围后，传热温差的改变对传热系数的影响是成衰减趋势的，仅仅通过提高传热温差是不能很明显的增加传热系数，且高温下传热对材料的要求也极高。
4热空气流速对传热系数的影响分析
在分析热空气流速对传热系数的影响时，首先选定平均对数传热温差ΔT在611℃到778℃之间，冷空气温升在222℃左右，对所给数据进行整理取样分析，运用幂函数对其拟合，得到拟合结果如图6所示，其中方差Re=1397，拟合度Rs=084，拟合曲线较好[12]，得到的拟合函数为：
k=11681-12675e-014v（9）
对式（9）求导，得到d（k）/d（v）=1775e-014v>0，可见伴随v的升高，传热系数k是不断升高的，又d2（k）/d（v2）=-249e-014Q<0，故而随着v的升高，k增大的趋势越来越小。取传热温差 ΔT=796℃，冷空气温升Δt=366℃，v=279 m/s的情况下对传热器进行数值模拟，得到的传热系数云图如图7所示。通过数值模拟得到的平均传热系数为k1=4245 w/m2K，通过拟合公式计算所得到的传热系数k2=4777 w/m2K，实际的传热系数k=4887 w/m2K，误差Δk1=1512%，误差 Δk2=23%，可见拟合结果是比较合理的。 将热空气的流速提高到原来的13倍，其余的条件不变，采用同样的边界条件，进行数值模拟，得到传热系数的云图如图8所示：
改变热空气的流速，在v=530 m/s时，进行数值模拟，得到的平均传热系数为k1=4945 w/m2K，传热系数提高了352%，可见提高热流体的流速可以提高传热系数但是其影响程度是成衰减趋势的，而且在高流速的情况对换热器的磨损也比较严重。
热空气流速对传热系数影响程度强于传热温差对传热系数的影响。首先对比两个拟合公式的二阶导数，显然k″v 5结论
1）在一定范围内，提高传热温差可以提高传热系数，但随着传热温差的不断增加，增加传热温差对提高换热器传热系数的影响程度越来越小。
2）在一定范围内，提高热空气侧的流速是可以提高传热系数的，但是随着热空气侧的流速不断增加，传热系数增加的趋势不断减弱。
3）只从理论上分析，热空气流速的大小与传热温差的大小对传热系数的影响程度相比而言，前者的影响程度要大于后者。
4）在对换热器的传热系数进行研究时，通过实验得到的数据来分析传热系数时，是可以采用曲线拟合和数值模拟综合的方法进行分析的。
参 考 文 献：
[1]LIU，Qing Jiang；HAN，FangStudy on the Effect of the Evaporator Area on the Heat Transfer Performance in the Gravity Feed Liquid Refrigeration System[J] Machinery Electronics and Control Engineering III，2014，441（9）：112-115
[2]KIM S J，KIM D，LEE D Y On the Local Thermal Equilibrium in Microchannel Heat Sinks[J].International Journal of Heat and Mass Transfer，2000，43（8）：1735-1748
[3]KANARIS A G，MOUZA A A，PARAS S V Optimal Design of a Plate Heat Exchanger with Undulated Surfaces[J].International Journal of Thermal Science，2009，48（6）：1184-1195
[4]涂福炳，武薈芬 径向热管换热器壳程数值模拟及结构参数优化[J]. 中南大学学报（自然科学版），2012，43（05）：1975-1983
[5]付磊，唐克伦 管壳式换热器流体流动与耦合传热的数值模拟[J]. 化工进展，2012，31（11）：2384-2389
[6]BHUTTA Aslam M M，HAYAT N，BASHIR M H，et al.CFD Application in Various Heat Exchanger Design：a Review [J].Applied Thermal Engineering，2012（32）：1-12.
[7]ZHANG L，CHE D FInfluence of Corrugation Profile on the Thermal Hydraulic Performanceof Crosscorrugated Plates[J].Numerical Heat Transfer，Part A，2011，59（4）： 267-296.
[8]高小龙，刘玉洪 流体流速对钛板板式换热器总换热系数的影响[J]. 煤气与热力，2014，34（10）：13-15
[9]王雪山，张健 折流板换热器壳程流体流动与传热特性数值模拟[J]. 机械研究与应用，2012（6）：8-11
[10]朱冬生，毛玮 多孔介质模型在板翅式换热器数值模拟中的应用[J]. 流体机械，2012，40（4）：63-67
[11]路义萍，汤璐 隐极同步电动机冷却空气流场特性研究[J]. 中国电机工程学报，2013，33（15）：86-91+12
[12]路义萍，洪光宇 多风路大型空冷汽轮发电机三维流场计算[J]. 中国电机工程学报，2013，33（3）：133-139+6
[13]张晶，文珏 基于计算流体力学数值模拟的板式换热器传热与流动分析及波纹参数优化[J]. 机械工程学学报，2015，51（12）：137-145
[14]王芳，郭瑞倩 空冷发电机定子三维温度场分布与试验对比[J]. 电机与控制学报，2013，17（12）：46-50
[15]王芳，董惠 大型汽轮发电机定子变结构对温度场的影响[J]. 哈尔滨理工大学学报，2013，18（06）：95-99
[16]付磊，曾燚林 管壳式换热器壳程流体流动与传热数值模拟[J]. 压力容器，2012，29（5）：36-41
[17]刘洋，李宏 关于weierstrass逼近定理的几点注记[J]. 数学的实践与认识，2009，39（02）：208-211
[18]王炳杰，赵军鹏，王春洁 基于三维最小二乘方法的空间直线度误差评定[J]. 北京航空航天大学学报，2014，40（10）：1477-1480
[19]邹龙生，谢加才 水平管降膜蒸发器综合传热系数研究[J]. 中国电机工程学报，2011，31（S1）：175-180
[20]杜小泽，杨立军，等 火电站直接空冷凝汽器传热系数实验关联式[J]. 中国电机工程学报，2008，28（14）：32-37
（编辑：王萍）
关键词：换热器，传热系数，流速，传热温差DOI：1015938/jjhust201702006
中图分类号： TK124文献标志码： A文章编号： 1007-2683（2017）02-0029-05Influence on Heat
Abstract：Aimed to insufficient heat transfer of heat exchanger， research the influence on the heat transfer coefficient impacted by velocity and heat transfer temperature difference of tube heat exchanger. According to the different heat transfer temperature difference and gas velocity， the experimental data were divided into group. Using the control variable method， the above two factors were analyzed separately. K-ΔT and k-v fitting curve were done to obtain empirical function. The entire heat exchanger is as the study object， using numerical simulation methods， porous media， k-ε model， second order upwind mode， and pressure-velocity coupling with SIMPLE algorithm， the entire heat exchanger temperature field and the heat transfer coefficient distribution were given. Finally the trend of the heat transfer coefficient effected by the above two factors was gotten.
Keywords：heat Exchanger； heat transfer coefficient； velocity； heat transfer temperature difference
0引言
随着人们节能意识的提高，如何有效及最大限度地利用现有能源，成为人们关注的焦点。本文针对给定结构的管壳式换热器，在不同的传热温差以及不同热空气流速下，分析传热系数的变化趋势，对实验数据进行归类分析，做出传热系数与传热温差的分布关系散点图以及传热系数与热空气流速的散点图，并进行拟合，分析引起其变化趋势的原因，在此基础上进行数值模拟[1-3]，研究换热器内部的温度分布[4-6]，分析传热温差和热空气流速对换热器传热系数[7-10]的影响。
1模型
11物理模型及网格划分
该管壳式换热器几何尺寸为609×609×916 mm，管道采用错列排布，管道数量为12×19+11×18根，取整个换热器为研究对象，换热器的结构图如图1所示。管内为冷空气管外为热空气。
热空气从侧面横向冲刷管道，管内流通冷空气，这种流通方式可理想化为逆流。将换热器分为2个区域，网格的划分采用六面体网格，管壁采用耦合的方法简化，计算时采用二阶迎风模式，压力速度耦合采用SIMPLE算法[11-12]，稳态求解，最终得到整个换热器的湍流流动与传热耦合计算的网格独立解[13-15]。
12数学模型
在v=279 m/s的情况下对其进行数值模拟得到传热系数的云图如图4所示：
在平均对数传热温差ΔT=733℃通过数值模拟得到的平均传热系数k1=3098 w/m2K，而由拟合公式所得的结果为k2=2847 w/m2K，实际的传热系数为k=2612 w/m2K，误差Δk1=1861%，误差 Δk2=899%；可见拟合所得的结果是比较合理的。将平均对数传热温差提高到100倍，其余的条件不变，采用同样的边界条件，进行数值模拟，得到传热系数的云图如图5所示。
数值模拟得到的平均传热系数为k1=3425 w/m2K传热系数增加71%，可见传热温差超出一定范围后，传热温差的改变对传热系数的影响是成衰减趋势的，仅仅通过提高传热温差是不能很明显的增加传热系数，且高温下传热对材料的要求也极高。
4热空气流速对传热系数的影响分析
在分析热空气流速对传热系数的影响时，首先选定平均对数传热温差ΔT在611℃到778℃之间，冷空气温升在222℃左右，对所给数据进行整理取样分析，运用幂函数对其拟合，得到拟合结果如图6所示，其中方差Re=1397，拟合度Rs=084，拟合曲线较好[12]，得到的拟合函数为：
k=11681-12675e-014v（9）
对式（9）求导，得到d（k）/d（v）=1775e-014v>0，可见伴随v的升高，传热系数k是不断升高的，又d2（k）/d（v2）=-249e-014Q<0，故而随着v的升高，k增大的趋势越来越小。取传热温差 ΔT=796℃，冷空气温升Δt=366℃，v=279 m/s的情况下对传热器进行数值模拟，得到的传热系数云图如图7所示。通过数值模拟得到的平均传热系数为k1=4245 w/m2K，通过拟合公式计算所得到的传热系数k2=4777 w/m2K，实际的传热系数k=4887 w/m2K，误差Δk1=1512%，误差 Δk2=23%，可见拟合结果是比较合理的。 将热空气的流速提高到原来的13倍，其余的条件不变，采用同样的边界条件，进行数值模拟，得到传热系数的云图如图8所示：
改变热空气的流速，在v=530 m/s时，进行数值模拟，得到的平均传热系数为k1=4945 w/m2K，传热系数提高了352%，可见提高热流体的流速可以提高传热系数但是其影响程度是成衰减趋势的，而且在高流速的情况对换热器的磨损也比较严重。
热空气流速对传热系数影响程度强于传热温差对传热系数的影响。首先对比两个拟合公式的二阶导数，显然k″v
1）在一定范围内，提高传热温差可以提高传热系数，但随着传热温差的不断增加，增加传热温差对提高换热器传热系数的影响程度越来越小。
2）在一定范围内，提高热空气侧的流速是可以提高传热系数的，但是随着热空气侧的流速不断增加，传热系数增加的趋势不断减弱。
3）只从理论上分析，热空气流速的大小与传热温差的大小对传热系数的影响程度相比而言，前者的影响程度要大于后者。
4）在对换热器的传热系数进行研究时，通过实验得到的数据来分析传热系数时，是可以采用曲线拟合和数值模拟综合的方法进行分析的。
参 考 文 献：
[1]LIU，Qing Jiang；HAN，FangStudy on the Effect of the Evaporator Area on the Heat Transfer Performance in the Gravity Feed Liquid Refrigeration System[J] Machinery Electronics and Control Engineering III，2014，441（9）：112-115
[2]KIM S J，KIM D，LEE D Y On the Local Thermal Equilibrium in Microchannel Heat Sinks[J].International Journal of Heat and Mass Transfer，2000，43（8）：1735-1748
[3]KANARIS A G，MOUZA A A，PARAS S V Optimal Design of a Plate Heat Exchanger with Undulated Surfaces[J].International Journal of Thermal Science，2009，48（6）：1184-1195
[4]涂福炳，武薈芬 径向热管换热器壳程数值模拟及结构参数优化[J]. 中南大学学报（自然科学版），2012，43（05）：1975-1983
[5]付磊，唐克伦 管壳式换热器流体流动与耦合传热的数值模拟[J]. 化工进展，2012，31（11）：2384-2389
[6]BHUTTA Aslam M M，HAYAT N，BASHIR M H，et al.CFD Application in Various Heat Exchanger Design：a Review [J].Applied Thermal Engineering，2012（32）：1-12.
[7]ZHANG L，CHE D FInfluence of Corrugation Profile on the Thermal Hydraulic Performanceof Crosscorrugated Plates[J].Numerical Heat Transfer，Part A，2011，59（4）： 267-296.
[8]高小龙，刘玉洪 流体流速对钛板板式换热器总换热系数的影响[J]. 煤气与热力，2014，34（10）：13-15
[9]王雪山，张健 折流板换热器壳程流体流动与传热特性数值模拟[J]. 机械研究与应用，2012（6）：8-11
[10]朱冬生，毛玮 多孔介质模型在板翅式换热器数值模拟中的应用[J]. 流体机械，2012，40（4）：63-67
[11]路义萍，汤璐 隐极同步电动机冷却空气流场特性研究[J]. 中国电机工程学报，2013，33（15）：86-91+12
[12]路义萍，洪光宇 多风路大型空冷汽轮发电机三维流场计算[J]. 中国电机工程学报，2013，33（3）：133-139+6
[13]张晶，文珏 基于计算流体力学数值模拟的板式换热器传热与流动分析及波纹参数优化[J]. 机械工程学学报，2015，51（12）：137-145
[14]王芳，郭瑞倩 空冷发电机定子三维温度场分布与试验对比[J]. 电机与控制学报，2013，17（12）：46-50
[15]王芳，董惠 大型汽轮发电机定子变结构对温度场的影响[J]. 哈尔滨理工大学学报，2013，18（06）：95-99
[16]付磊，曾燚林 管壳式换热器壳程流体流动与传热数值模拟[J]. 压力容器，2012，29（5）：36-41
[17]刘洋，李宏 关于weierstrass逼近定理的几点注记[J]. 数学的实践与认识，2009，39（02）：208-211
[18]王炳杰，赵军鹏，王春洁 基于三维最小二乘方法的空间直线度误差评定[J]. 北京航空航天大学学报，2014，40（10）：1477-1480
[19]邹龙生，谢加才 水平管降膜蒸发器综合传热系数研究[J]. 中国电机工程学报，2011，31（S1）：175-180
[20]杜小泽，杨立军，等 火电站直接空冷凝汽器传热系数实验关联式[J]. 中国电机工程学报，2008，28（14）：32-37
（编辑：王萍）