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利用折流板提高燃气热水器的能效

美国阿拉巴马州36849，威金斯大厅1418奥本大学，机械工程系

Mahmoud Moeini Sedeh, J.M. Khodadadi

摘要：对热水器的热效率进行的数值模拟和实验研究主要是针对折流板而言，特别是设计用于修改蓄水池中的流场并将热量传递到水箱中。为了修改水箱选用了一个住宅用的燃气热水器，通过引入一个折流板，来实现降低5%天然气的燃烧的目的。根据所选的热水器的几何特征，建立了热水器的三维分部模型。在每个分部中对流场和热交换做了详细的研究，各种子模型集合成了一个完整的热水器模型。对选定的热水器的热性能进行了数值研究，使用了计算流体动力学方法进行分析。在此之前的折流板设计过程，为了验证热水器的开发模型，比较了不同时刻下数值预测的温度与实际实验测得的温度相比，相同的条件下，在不同位置的六个水箱都可以看出两者比较吻合。在验证数值模型时，研究了选定的热水器流体流动和传热模式的特征。折流板的总体设计及其位置和方向是根据数值结果和一组研究参数最终确定的。最后，设计了2个折流板方案，并且第二次设计是对第一次设计其进行的优化设计。总结了折流板设计和相同的热性能分析，来证明修改之后的热水器模型确实潜在地提高了热效率。此后，我们实现了设计的折流板并且把它集成在了热水器加热单元中，根据标准的热水器测试程序进行了实验。最后，数值模拟和实验结果验证了在加入这种折流板之后，热效率确实有了提高。因此，在稳态热效率测试条件下，折流板的二次设计能降低热水器4.95%的天然气消耗，满足本研究的目标。然而，实际使用模式下减小的天然气消耗量可能小于此价值。

关键词：折流板，减少燃料消耗，天然气，最优化，热效率，热水器

1.绪论

在运行换热器和耗油的设备时，能效至关重要，并且它的发展会带来节能减排的环境效益。折流板通常是平板或弧形板，广泛应用于的各种各样的稳定和引导流体中，控制水面晃动起伏，防止其溢出，以及达到加强混合的作用。考虑流体中速度场与温度场的耦合（通过在能量方程中的对流项，自然对流和湍流的影响），折流板可以影响温度场和传热。换句话说，有可能利用折流板来操纵流场，通过最大化或最小化流体的传热来影响温度场。例如，在换热器中，如果折流板增加了从燃烧产物到另一种流体的换热，这种折流板对于热效率的提高就是有效的。在文献中有几个报道过的案例显示在不同应用中，例如换热器、热再生器、电子冷却装置、为了促进晶体增长的高压灭菌器、燃气轮机叶片的内冷系统和冷却水套，折流板的引入可以影响传热速率和温度场。根据具体应用，有各种各样的折流板的形状和配置影响传热和流动模式。这些折流板的形状和方向取决于具体应用中的几何形状和流量特性。我们在不同情况下进行了研究和报告，通常经过增强和控制过的液态流体，它的流速是对利用了折流板这一设计的直观反映。

Berner等人最早做了一个关于这个主题学术研究报告，他考虑到换热器管程和壳程中折流板带来的影响，建立了一个大致的二维模型。他们通过忽略流体在壳内流动对管子造成的影响，简化了这个问题，从而找到了流体流动的一般特点（如分离区域，流通，停滞点，边界层，压降，流动模式和周期性）。他们用激光多普勒测速仪（LDA）在树脂玻璃和耐热玻璃通道间成功地找到了通常的流动方向，依次为正常向流动方向，这个通道从头到尾由十个折流板连接而成。

Kim和Anand研究了在一系列表面安装热源的平行班之间，产生的周期性的完全湍流流动与传热。使用一个二维的数值模型，其通道和平板服从K-ɛ湍流模型，他们发现，平板（如电子冷却通道中的折流板）的存在会直接影响摩擦系数和努塞尔数，将导致换热率的增加。

Dutta在带有恒定热流密度的矩形通道中，对湍流的摩擦损失与传热进行了实验和数值研究，通道中连接有折流板。他们考虑折流板大小、方向和穿孔的影响，因为这些改变了平均和局部努塞尔数。他们发现折流板的大小、定位和方向对内部冷却传热有明显影响，并且使用最佳尺寸、定位和方向，将使传热最大化。他们还发现了一个最佳穿孔密度的多孔折流板，产生了强烈的喷射冲击现象，最大限度地提高传热。

另一项关于折流板的研究是由Chen等人进行的，他们开发了一个数学模型的三维数值模拟的流动和传热特性的圆柱形晶体生长系统。在较低的原材料建模中，作为一个多孔层，他们在气缸的轴线方向发现了一个向上升起的喷气机，在上腔发现了向下的流场。流体的特性（相应地晶体生长区中的温度场）取决于格拉晓夫数，层流的格拉晓夫数较低，而变化的振荡或湍流时的格拉晓夫数很高。他们发现使用一个折流板放置在下腔室和上腔室之间可以减少流动强度，但在晶体生长区（即上腔）会导致的速度和温度更均匀分布。最后，他们发现把折流板放在两个腔室之间，明显减少了上升射流的垂直速度，并为晶体生长区产生了更均匀分布的温度场。此外，他们强调折流板的位置、厚度、形状和孔隙率可以有效地影响生长过程，应该进行详细地研究。

Ko和Anand对多孔隔板对通道内流动传热强化影响的实验研究。使用多孔折流板的目的是减少与挡板的存在相关的压力降和摩擦损失。他们在一个矩形通道上进行了实验，14个连续的多孔折流板安装在顶部和底部的墙壁上，他们发现周期性流动的流体在经过第七个折流板之后随意流动，利用多孔折流板可以使传热增加300%。如果是固体挡板增强幅度可高达390%。然而，固体挡板具有较高的摩擦损失和压力降。此外，他们的实验具有不同的流量率（雷诺数在20000–50000之间）表明，平均努塞尔数随着雷诺数的增加而增加。这主要是因为湍流输送在高雷诺数时占主导地位，且折流板效果会减少。再者对于一个固定的孔隙率，折流板越厚传热越强。为了找到最佳的情况，他们把摩擦减小或者压力增加时传热增强的比率定义为传热性能比传热比。结果他们发现，在低雷诺数（PPI）的情况下，折流板的孔密度为每英寸40个孔时，传热性能更加有效。

用一种简化的二维轴对称模型的水热高压釜，在流动模式与温度分布上，Li等人研究了折流板的作用和高压釜的纵横比（这个单孔折流板有15%区域是开的的，宽比为2、5、10和20）。他们的研究结果表明纵横比增加时，通过薄折流板传导的可以忽略不计，速度的垂直分量增加，而在生长室的中心区域径向速度分量变得更加均匀。

Li等人研究了折流板对高压釜中温度和流动分离及其对晶体的影响生长。他们比较了计算速度和温度在无折流板热液高压釜中的分布。他们在高压釜中间高度使用了单孔、圆形、15%个区域开孔的平面折流板，研究了其影响。他们发现虽然由于挡板的存在，流速有明显的下降，温度分布成为均匀的，很适合晶体生长。此外，他们发现在原来的高压釜中，作为一个单一的圆柱形电池是不对称的，加上折流板之后，速度和温度分布趋于轴对称。

Li等人考虑多孔挡板对工业反应釜径向温度分布的影响。他们专注于折流板的数量和配置，以及放置在一个圆筒形的水热高压釜的中间高度时这个圆形平面折流板的开孔区域。这一数值研究的结果表明，对于更均匀的型材，多孔的折流板可以正确地影响速度和温度分布。他们研究了各种开放领域的单孔挡板，并和不同的多孔配置相比较。对于单孔折流板，他们发现一个较小的开口面积会导致更均匀的温度分布和较高的晶体生长速率。然而，对于多孔折流板，他们发现对应于三种不同的配置，8孔挡板有最好的性能。

Li和Braun研究了圆柱形热液高压釜中，折流板形状对速度和温度分布的影响。他们认为三种不同的圆形平面折流板的形状：单孔实心折流板，16孔实心折流板和多孔折流板，所有与相同的开口面积为15%。结果表明，所有三个折流板产生均匀的径向温度分布。然而，径向温度和速度分布更均匀是单孔折流板，和其他两种折流板相比，多孔折流板附近的墙壁上的径向温度和速度梯度更高。此外，和其他两种折流板相比，多孔折流板在生长室的垂直方向的温度沿中心线分布更高。

Chang和Shiau研究了脉动混合对流在一个平行的纵向明渠水平折流板的存在下的换热特性。采用数值模拟的方法，他们发现，相比无折流板的情况下，有折流板通道的平均努塞尔数更高。此外，他们报告说除了使用折流板，实施流量脉动将最大限度地提高传热。

Li和Braun在思考矩形和圆柱形外壳的流动结构和传输机制有没有挡板。他们发现，两个没有折流板的矩形和圆柱形外壳的流动结构和传输机制本质上是相同的。然而，插入一个折流板将圆筒形外壳分为2个空间，它们有各自不同的温度区。因此，折流板位置有一个温度驱动的流动结构，由向上的热射流和向下下沉的冷射流在折流板开区组成，发生动量和能量的交换。由于流分割、收缩的流动分区和壁层的相互作用，边界层的厚度变化。折流板的存在防止壁层的直接相互作用和周向流量的分配。因此，和没有折流板的情况相比，运输的质量和能量较少，并且上下腔室有效地分离为不同温度区。

Li等人对底部高度的单孔折流板的底部加热、顶部冷却的立方腔中的流体流动和自然对流换热进行了实验和数值研究。在实验中，热色液晶（TLC）颗粒用来使腔内及其定量评价温度场的可视化。他们发现里面有2架喷气式的气流，一个向上上升的热气流，一股向下的下沉气流。这些喷气机在热能量交换的折流板处互相接触。热气流喷射然后撞击的顶壁上，而冷气流撞击到墙底。在折流板开区之间的换热，减少了两个气流的温度梯度，并导致在空腔中温度分布更均匀。其结果是，由于挡板的存在，在每个腔室的其余部分的流体具有一个相当均匀的温度。

Chang和Tsay研究了层流的特点和前强度，由于实心、开槽的折流板放置在通道上壁，在二维通道内它迫使对流换热发生了后向台阶流动。他们研究了挡板高度、位置角度和不同的密度/开槽折流板作为一个恒定的热通量源的电子芯片的模型从底部的流动模式和传热。他们把流动模式和温度分布的数值看作是找到最有效的冷却壁（热源）的方法。他们发现，实心折流板将努塞尔数的提高最多大约230%，而这个值大约是190%的开槽折流板。然而，实心折流板可能会导致主要气流的重新分离，在加热段的端部区域的传热特性贫乏。此外，与开槽折流板相比，在装有实心折流板通道中的的压力降成倍的增加了，这些被认为是使用开槽折流板在这样的应用程序中的优点。对于层流空气流动（50le;Rele;400），他们发现，折流板定位的最佳角度为45°。

Tandiroglu和Ayhan以带有不同组合的折流板的恒定表面热通量圆管的湍流瞬态传热的实验研究。他们发现，与没有折流板的管道相比，所有带有折流板的管道平均努塞尔数明显较高，所有雷诺数3000-20000。

Wang等人研究了壳内带有螺旋折流板壳管式换热器的传热性能。与传统管壳式换热器相比，其流体力学模型计算表明，在整体传热速率相同的情况下，换热器的压降比装有螺旋折流板的换热器低。同样，压降相同时，壳侧的压降比装有螺旋折流板的换热器高了5.6%左。此外，Zhang等人研究了连续和非连续螺旋折流板中间重叠的管壳式换热器性能的影响。基于三维整个换热器的周期计算模型，他们研究了螺旋角对换热器的性能的影响，发现40°时是最佳螺旋角。他们还发现，与装有连续的螺旋折流板的热交换器相比，装有非连续的中间重叠的螺旋挡板的热交换器每单位压降有较高的传热系数。

水热反应釜的另一个数值模拟已由Masuda等人报道。他们讨论了折流板的形状（平板或漏斗状）对轴对称釜自然对流传热和温度分布特征的影响。当一个漏斗形的折流板是用在高压釜中间高度的时候，他们发现了一个两区之间流速较高，最终实现了较高的晶体生长速率。漏斗形折流板的最佳角度是20°。

Duan等人研究了拟稳态自然对流在球形容器折流板的作用。他们研究了不同情况下，绝缘和等温折流板对瑞利数、长度和位置的的影响。通过上方的折流板稳定层和下方折流板的电流引起的自然对流，他们发现，在球形容器径向方向上放置的折流板内壁的导致流体特性分层。因此，无论折流板热状态如何，它影响了球形容器内的流动和温度场，折流板更长时这种效果更明显。

Promvonge等人在一个三维方形通道中安装了30°倾斜的折流板，对其中的层流和传热的进行数值研究。流动是稳定的，层流和不可压缩流体的通过一系列的折流板和假设周期流，选定一节的通道为计算模型，包括双折流板，每一个都安装在相对顶部和底部的墙壁。经过验证数值模型，其结果表明，对于不同组合的折流板，传热增加，这种增量可以是相当大的。例如，相同的泵浦功率下，雷诺兹数2000，装有折流板的通道与平滑通道（没有挡板）的努塞尔数的比值可以高达约4，折流板间距比为2（即折流板间距/通道宽度）和折流板堵塞比0.15（即挡板长度/信道宽度）。

通过上述文献，可以得出结论，折流板会导致流体中的温度场的变化，在不同的应用中有效地提高传热率。其次，折流板具有特定的功能，它们的特点是设计简单，相当有效的控制/增强传热。在结构上，折流板由具有有限厚度的一个单一的平面或弯曲板组成，可以用来处理流动和影响温度场，在挡板的应用中，传热强化主要是由于流动模式的变化（由于折流板的存在），从而导致对流的改善。与此对流增强相比，热传导通过折流板可能对总传热增强有轻微的贡献。从翅片来区分折流板这些特性，翅片通常是以最佳的厚度和距离用在阵列中的，来增加传热表面提高传热（延伸表面的概念）以及通过翅片基地传导。

本研究项目的目的是在这里总结一个新颖的设计，以增强传热折流板以及燃气热水器的热效率。设计包括螺旋特点，如新颖的形状、其定位和对齐，它控制着流场，在热水器中最大限度地提高导热和对流传热，提高了换热器热效率。特别是，简单的折流板设计是利用一个折流板安装在热水器的水箱内，由于改变了水箱内的流动模式，实现了显着的改善热效率和减少燃料的消耗。因此，天然气消费量减少了5%，作为一个具有挑战性的目标设定。通过计算机辅助工程，实施和测试可以提高热水器中折流板的性能，类似的热存储和交换应用中也可以于采用优化方法，提高的效率、节约燃料。尽管目前的工作重点是基于对折流板热水器水侧热效率提高，读者可能对之前烟气折流板的工作感兴趣，例如方法[23,24]。此外，读者可能会发现一个基本的自然对流的研究，从一个垂直的圆筒外表面液体和这类传热问题的关联。

2.方法

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