微通道换热器设计思路
微通道换热器具有高集成、高换热效率、耐高温高压等优点，其基本制造工艺是：通过刻蚀的方式在换热板上加工微小流道（如下图1），再经过扩散焊等方式将两片换热板焊接成一个换热单元（图2），由多个换热单元最终焊接成换热器整体（图3）。之前写过一个微通道换热器的案例，可以点击文末的“阅读原文”查看。 为了尽量减小流动阻力，将流道的介质流态设计在层流。对于层流状态的努赛尔数，借鉴Welty等人（1984）的经验公式： 对于层流状态的微小通道压力损失，借鉴Gao等人（1999）的经验公式： 需要说明的是，努赛尔数和压力损失的经验公式对换热器的设计有决定性影响，需要通过实验来验证经验公式指导设计的合适性。 根据以上经验公式建立了如下的设计计算表，黄色框输入基本参数，绿色框自动求解相关要素。初步确定换热器的基本换热单元长度100mm，流道尺寸1.5mm×1.5mm，当量直径1.5mm，单元流道数15，一共15个单元。另外，换热板厚度0.5mm，翅片厚度1mm，通道截面如下图4所示。 另外，将换热器设计成逆流形式，有一片换热板的流道需要转向（如图1左），也就是在基本换热长度外增加了连接段，实际的换热面积会大于基本计算的面积。初步设计的换热器详见图1~图3，换热器总体长度（包括连接管）298mm，高度60.5mm，宽度159.5mm。连接管的形式、方向等可以改变，使得换热器的最终轮廓改变。 先用CFD软件对基本换热单元进行仿真模拟。由于通道数量多，换热器尺寸范围广，整体进行数值模拟不太现实，为此只取其中一对换热流道进行计算，截取方式以及边界如下图所示。 根据以上方式，建立一对换热通道的模型并划分网格，如下图，网格节点数389404。 压力损失计算结果如下，可以看出经验公式的压降计算结果和FLUENT的计算结果相当接近，该层流压降经验公式可靠度高。 温度和传热功率计算结果如下，可以看出计算传热功率未达到目标值，由于计算换热长度L为100mm，实际上如果再考虑连接段的话温度和传热功率可能达到目标值，但是至少需要对一个换热单元建模计算，网格数量预计达到1000万。 分析一下两侧流道的努赛尔数，空气流道：空气平均温度389.6℃，流道壁面平均温度456.07℃，流道面积0.0003m2，传热功率3.4W，于是对流传热系数为170.5W/m2℃，故其平均努赛尔数为5.44，小于经验公式计算的5.95；烟气流道：烟气平均温度511.9℃，流道壁面平均温度456.9℃，流道面积0.0003m2，传热功率3.4W，于是对流传热系数为206.1W/m2℃，故其平均努赛尔数为5.33，大于经验公式计算的4.26。 计算对数平均温差为223.46，总传热面积0.135m2，总传热功率1538.2W，于是换热器的总传热系统h=50.99W/m2℃，小于87.477W/m2℃，与FLUENT结果相比，计算表高估了换热器的换热能力。 著作权归作者所有，欢迎分享，未经许可，不得转载
首次发布时间：2023-07-05
最近编辑：1年前
