【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冷卻換熱研究公開發表文獻較少,尤其對翅片管束用于表面蒸發冷卻設計計算方法有待進一步研究。本文以工業用空冷裝置為模板搭建了實驗平臺,給出了分析翅片管束表面蒸發冷的熱力學特性的一種理論計算方法。由傳熱增強比對翅片管束進行了結構參數對傳熱影響分析。由干式翅片管束空冷實驗擬合了工業用傳熱及管束壓降關聯式。完成了干式空冷三維翅片管束數值模擬,深入解析了翅片管束干式空冷傳熱與壓降機理。進行了翅片管束表面蒸發冷實驗,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冷熱質傳遞與壓降關聯式,彌補了翅片管束表面蒸發冷計算研究。建立了翅片管束表面蒸發冷有限差分方程組,進行了整體翅片管束表面蒸發冷熱質傳遞特性分析,**采用離散相模型(discrete phase model),歐拉壁面液膜模型(Eulerian wall film model)與組分輸運模型(mixture species transport model)耦合來進行三維CFD模擬研究多參數對翅片管束表面蒸發冷影響。主要研究工作及結論如下:(1)給出了分析翅片管束表面蒸發冷的熱力學特性的一種理論計算方法,由傳熱增強比對翅片管束進行結構參數對傳熱影響分析,翅片高度增加相較于光管強化了傳熱,但這種強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、密度及導熱系數增加而得到強化,對干、濕工況下翅片微元的傳熱傳質特性進行了方程組數值求解,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的數值解。(2)搭建了翅片管束空冷中試實驗平臺,實驗表明高翅片管束能夠在低溫環境下取代常態運行光管濕式空冷,滿足熱工藝要求,達到節水目的,依托本文實驗裝置數據擬合得到用于翅片管束干式空冷管外傳熱與壓降關聯式,具有工業應用價值。(3)由翅片管束干工況空冷實驗數據為邊界進行三維翅片干式空冷數值模擬,定義翅片迎風頂點為0°,翅片180°位置附近出現尾部回流區,標準管間距排布時,管束上游高度不穩定尾流能夠促進下游傳熱。空氣在翅頂處發生轉向,而后在翅前段形成渦,單個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,翅片前段傳熱系數高。低進口風溫下翅片間空氣溫度梯度要大于高進口風溫下溫度梯度,揭示了低進口風溫下傳熱強化機理。(4)搭建了翅片管束表面蒸發冷實驗平臺,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,管束外熱質傳遞過程還與進風環境相對濕度有關,管束表面水膜同空氣間水蒸汽分壓伴隨進風環境相對濕度變大而減小,從而使其傳質推動力減弱,傳熱量減小。給出了翅片管束表面蒸發冷擬合熱質傳遞與壓降關聯式,其對翅片管束表面蒸發空冷器設計提供依據。(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冷熱質傳遞有限差分方程組,得到了描述翅片管束蒸發冷熱質傳遞特性參數,可進行整體翅片管束表面蒸發冷熱質傳遞特性分析。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生著更為強烈的水膜蒸發。管外水膜同空氣間熱量交換中以潛熱為主。低溫環境下表面蒸發冷具有明顯高的(?)利用效率。(6)建立了翅片外徑42mm、50mm及57mm多種結構翅片管束三維模型,**采用離散相模型(DPM),歐拉壁面液膜模型(EWF)與組分輸運模型(MST)耦合模擬研究多結構參數三維翅片管束表面蒸發冷特性。對空氣質量流量、噴淋強度、翅片高度、管束排布及翅片間距等關鍵變量對表面蒸發冷影響進行了分析。利用場協同理論與范寧摩擦因子得到綜合評價準則,即綜合性能因子來分析多結構參數翅片管束表面蒸發冷性能,空氣質量流量、噴淋強度及翅片高度的增加都提高了綜合性能因子,提高表面蒸發冷綜合性能。當Re超過2820時,管排數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烈,即管排數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,翅片管束表面蒸發冷熱質傳遞效率降低,壓降升高,管束綜合性能下降。在翅片管束表面蒸發冷工業應用中所選翅間距應不小于3mm。