CN111486742B - 一种基于半封闭流道的自然对流强化换热结构 - Google Patents

一种基于半封闭流道的自然对流强化换热结构 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于半封闭流道的自然对流强化换热结构，在高度为H的上、下两个平板间竖直插入若干个绝热隔板，将上、下两个平板间的空间分割成为若干个宽度为L、高度为H的流道，所述隔板的顶部和底部与上、下平板之间留有间隙为S的狭缝。与现有技术相比，本发明的积极效果是：本发明涉及层流条件下自然对流的强化换热过程，通过竖直方向上的隔板来规范自然对流换热过程的环流，使得上下壁板间的对流环流个数增加，强度增强，最终增大上下壁面处的温度梯度，从而提高整个壁面的换热效率。

Description

一种基于半封闭流道的自然对流强化换热结构
技术领域
本发明涉及流体力学与传热学领域，具体涉及一种基于半封闭流道的自然对流强化换热结构。
背景技术
随着能源供给的日趋紧张，环境污染的日趋恶化，人们对能源的高效利用产生了极强的需求，这其中自然对流条件下的换热强化尤为明显，换热效率的每一份提高都将带来巨大的社会和经济效益。对流换热普遍存在于自然界和日常生活中，大到大气层中的大气对流产生的强对流天气，小到微电子芯片上的散热过程。例如暖通工程、石化工业、能源冶金、微电子等工业领域中普遍使用的自然对流换热器，其性能的提升和节能潜力的发掘受到了工业界的普遍关注。
对流换热的基本过程可以简化如下：对于竖直方向上的两个平板，两个平板间充满流体，当下表面的温度高于上表面温度时，由于流体的热胀冷缩现象，下壁板的流体受热膨胀密度降低，而上壁板的流体遇冷收缩密度增大。流体将在热浮力的作用下从下表面受热膨胀上升，到上表面后遇冷收缩下降，在上下壁板之间就会自然而然的产生对流涡环，从而发生热量从下壁板到上壁板的传递，即热对流现象，如图1所示。该热对流导致的两个平板间的换热效率远大于其间的辐射和传导换热，其中，T0表示上平板表面的温度，△T表示上下平板表面的温差。
发明内容
传统的强化对流换热的方法是通过注入能量(如风扇)，来增强热对流过程，需要额外添加设备装置，尤其是对于小尺度的换热结构而言实现起来比较复杂。为了克服现有技术的缺点，本发明提出了一种基于半封闭流道的自然对流强化换热结构。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种基于半封闭流道的自然对流强化换热结构，在间距为H的上、下两个平板间竖直插入若干个隔板，将上、下两个平板间的空间分割成为若干个宽度为L、高度为H的流道，所述隔板的顶部和底部与上、下平板之间留有间隙为S的狭缝，所述S＝L/2；所述H满足：
Figure GDA0002940906900000021
其中：μ是流体的动力粘性系数，α是流体的热扩散系数，g是重力加速度，β是流体的热膨胀系数，ρ是流体的密度，△T则表示上下平板的温差。。
与现有技术相比，本发明的积极效果是：
本发明涉及层流条件下自然对流的强化换热过程，通过竖直方向上的隔板来规范自然对流换热过程的环流，使得上下壁板间的对流环流个数增加，强度增强，最终增大上下壁面处的温度梯度，从而提高整个壁面的换热效率。
附图说明
本发明将通过例子并参照附图的方式说明，其中：
图1为平板间的自然对流示意图；
图2为基于半封闭流道的自然对流强化换热结构示意图；
图3为数值模拟结果示意图；
图4为不同宽度的流道对流换热与质量交换对比示意图；
图5为平板宽度与热流和质量交换对比列表。
具体实施方式
为了强化壁板间的换热，最直接的方法就是增加对流涡环的强度，通常这需要额外注入能量(如风扇)，而在某些条件下一方面既要增强热对流又不能额外添加能量，只能充分利用密度差产生的自然对流来强化换热。由于自然对流换热的效率极大的取决于对流环对热量的输运过程，即平板间的对流环个数，通常情况下如果宽度方向上没有限制的话对流环的宽度与平板间的间距相当，如何有效的增加单位宽度上的对流环的个数是本发明的核心问题。本发明就提出了有效增加对流涡环数量的方式来强化自然对流换热，即通过在上下壁板间添加隔板来增加对流通道，使得对流涡环数量增加，从而达到强化换热的目的，发明了一种基于半封闭流道的自然对流强化换热结构，具体包含以下内容：
一、基于半封闭流道的自然对流强化换热结构。
如图2所示，在间距为H的上下两个平板间竖直插入若干个隔板，将原来的空间分割成为若干个宽度L高度H的上下流道。需要特别指出的是，竖直隔板的顶部和底部(即竖直隔板与上下平板交接处)并有没有完全封闭，留有间隙为S的狭缝以便流体能够顺利的通过。
二、工作原理的数值模拟
数值计算过程：为了模拟隔板及其狭缝对自然对流过程的影响，这里采用了CFD的方法对其中热对流过程进行模拟。模拟方法简述如下：在0.1x1的方腔中分别添加若干的竖直隔板，其中的流动采用不可压定常层流流动，流体采用Boussinesq假设引入密度梯度，上下壁板采用等温壁面，中间隔板采用绝热壁面条件，而左右则采用周期性边界条件。分别模拟了1～250个隔板时(32个工况)，平板间的热对流情况，并计算了上下壁面间的对流热量，以及热对流涡环产生的质量交换量，据此评估隔板对平板间自然对流换热的强化效果。
数值模拟结果：由于上下壁面温差产生的密度差，在重力的作用下，平板间会形成自然对流涡环，如图3(a)所示，由于平板空间中在横向上没有限制，此时的对流涡环的宽度约为高度的1.5倍，当添加竖直隔板之后，对流涡环在横向上的尺寸受到隔板的限制，使得涡环的宽度窄，数量增加，如图3(b)和图3(c)所示。此时上下壁面间涡环引起的质量交换增加，同时热流增加，如图4中L/H>0.1区间所示。另一方面，随着隔板数量的增加，隔板与流体间的粘性阻力会减低对流速度，使得质量交换和换热量降低，如图4中L/H<0.1区间所示。因此必然存在一个最优的隔板间隔宽度L使得换热量最大，即L/H＝0.08～0.15。
三、换热结构的尺寸计算方法。
1、隔板的选择：插入的隔板应当尽量的薄，以免占用过多的流动空间，隔热板的导热系数应当尽量的小，以降低相邻两个流道间的热交换。
2、关于狭缝S的确定：对于理想的换热结构而言，每个流道中的速度应当是单一方向的，即要么向上流动要么向下流动。基于此，根据流动的连续性关系，可知S＝L/2。
3、关于高度H的确定：由于两个平板间的自然对流换热过程是在密度差下驱动的Rayleigh-Benard对流，要想自然对流得以发生，必须满足Rayleigh-Benard的失稳条件，即相应的Ra数大于临界值Racrit＝1706，据此可以确定高度H的大小。具体为：
Figure GDA0002940906900000051
式中：g是重力加速度，ρ是流体的密度，T是流体的温度，而△T则表示上下平板的温差，μ是流体的动力粘性系数，α是流体的热扩散系数，β是流体的热膨胀系数：
Figure GDA0002940906900000052
对于液体而言，β为常数；对于空气而言
Figure GDA0002940906900000053
最终，高度H应该满足：
Figure GDA0002940906900000054
4、关于流道宽度L的确定：通过大量的数值模拟过程，模拟了不同宽度的流道的自然对流换热情况，如图5所示的对比列表中：第一列为流道宽度与高度的比值，第二列为平板间无量纲的热流，第三列为平板间由于热对流造成的质量交换，这里采用无隔板时的热流和质量交换作为无量纲基准。
具体如图4所示，可见当流道的宽度L约为0.1H时，隔板自然对流的换热效率达到最大值，约为无隔板自然对流换热的4倍；当流道宽度约为0.15H时，隔板自然对流的质量交换约为无隔板时的8倍。据此，在选取流道宽度L，可以取为高度的0.08～0.15倍，此时隔板能够有效的强化上下壁面之间的自然对流换热过程。

Claims (6)

1.一种基于半封闭流道的自然对流强化换热结构，其特征在于：在间距为H的上、下两个平板间竖直插入若干个隔板，将上、下两个平板间的空间分割成为若干个宽度为L、高度为H的流道，所述隔板的顶部和底部与上、下平板之间留有间隙为S的狭缝，所述S＝L/2；所述H满足：
Figure FDA0002940906890000011
其中：μ是流体的动力粘性系数，α是流体的热扩散系数，g是重力加速度，β是流体的热膨胀系数，ρ是流体的密度，△T则表示上下平板的温差。
2.根据权利要求1所述的一种基于半封闭流道的自然对流强化换热结构，其特征在于：每个流道中的速度为单一方向的。
3.根据权利要求1所述的一种基于半封闭流道的自然对流强化换热结构，其特征在于：所述L为0.08H～0.15H。
4.根据权利要求1所述的一种基于半封闭流道的自然对流强化换热结构，其特征在于：所述
Figure FDA0002940906890000012
5.根据权利要求4所述的一种基于半封闭流道的自然对流强化换热结构，其特征在于：所述流体为液体时β为常数。
6.根据权利要求4所述的一种基于半封闭流道的自然对流强化换热结构，其特征在于：所述流体为空气时
Figure FDA0002940906890000013
其中，T是空气的温度。
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