连续螺旋折流板换热器壳程流动与传热数值模拟

建立了连续螺旋折流板换热器三维模型并划分网格,采用分离式求解器、SIMPLE压力速度耦合方式与Realizable k-ε湍流模型,利用FLUENT软件对连续螺旋折流板换热器壳程流体流动与传热进行了模拟计算,得到壳程流体速度、压力与温度分布图,并与传统弓形折流板换热器作比较。螺旋折流板节距与弓形折流板间距相等时,螺旋折流板换热器壳程传热系数增加了25%左右,而压力降减小了18%左右。通过对不同螺旋角度的螺旋折流板换热器进行模拟分析,发现随螺旋角增大壳程传热系数和压力降都呈减小趋势,且壳程流体进口平均速度越大,作用越明显,故在实际工程中,盲目追求高的传热系数或低的压降都是不可取的。本数值模拟可为螺旋折流板换热器进一步的工程研究提供可靠的理论参考依据。     

折流板结构对换热器壳程性能影响的定量研究

针对弓形折流板、连续螺旋折流板换热器,采用CFD软件FLUENT,RNG k-ε模型,借助数值模拟的方法,定量地比较2种折流板结构下换热器的压降、传热系数、综合性能,并进一步分析了不同折流板结构下换热器壳程局部流场和温度场的分布特点。结果表明:同连续螺旋折流板换热器相比,弓形折流板换热器壳程速度场和温度场分布存在着明显的不连续性。弓形折流板相邻折流板间距同连续螺旋折流板螺距相同条件下,折流板螺距较小时,采用连续螺旋折流板能够明显提高换热器传热系数,但折流板结构改变对换热器综合性能的影响不大;增大折流板螺距,采用连续螺旋折流板能够明显提高换热器综合性能,但不同折流板结构下换热器传热系数变化不大。计算结果为折流板结构的选用提供了理论依据。     

两壳程螺旋和弓形折流板管壳式换热器的性能比较

对相同的换热器体积、相同折流板数、相同管程数的两壳程螺旋折流板换热器和两壳程弓形折流板换热器进行了对比性的数值模拟研究,结果表明:(1)在相同壳程Re下,两壳程螺旋折流板换热器的换热系数h比两壳程弓形折流板换热器略低,压降DP比两壳程弓形折流板换热器低40%.(2)在相同壳程流量G下,两壳程螺旋折流板换热器的换热能力比两壳程弓形折热器高60%,压降DP比两壳程弓形折热器高80%.(3)在相同壳程压降DP下,两壳程螺旋折流板换热器的换热系数h比两壳程弓形折流板换热器高30%.(4)在允许的压降范围内,当换热要求较高时,多壳程的螺旋折流板管壳式换热器可强化换热,带走更多的热量,保证生产的安全.     

折流板切口方向对管壳式换热器传热性能影响

为了研究单弓形折流板的切口方向对管壳式换热器传热与流动性能的影响,文中通过建立3个不同折流板切口方向的管壳式换热器简化实体模型,运用CFD软件Fluent对管壳式换热器壳程传热与流动状态进行了三维数值模拟。以水为壳程流体介质,在不断改变壳程进口流速,使得壳程进口雷诺数Re在10 000到70 000范围内变化时,得到了不同状态下的壳程流场与温度场。根据数值模拟结果,以总传热系数α,壳程总压降Δp以及单位压降下的传热系数α/Δp作为综合衡量标准,分析不同折流板切口方向时的管壳式换热器壳程流场与温度场。数值模拟分析结果表明:折流板为垂直切口方向时,管壳式换热器总传热系数最大,压降最小,综合性能最好,另外2种折流板切口方向的管壳式换热器综合性能差不多。     

折流板间距对换热器性能影响的数值研究

采用CFD数值模拟方法,研究了简化模型下弓形折流板和螺旋折流板换热器,对应于不同间距/螺距时,流动参量的变化对换热器整体流动与传热性能的影响。结果表明,两种结构对应的壳程压力损失和换热系数均随壳程流量的增加而增大,而螺旋折流板结构单位压降下换热系数大于弓形折流板,并且其性能受折流板螺距变化的影响较小,体现了螺旋折流板结构的优越性。计算结果与现有实验结论吻合较好。     

螺旋折流板菱形翅片管换热器的传热与流阻性能

引　言近年来的研究[1～ 6] 表明 ,螺旋折流板换热器的螺旋折流板使流体在壳侧呈连续柱塞状螺旋流动(即 plug流 ) ,不会出现传统折流板换热器内的流动“死区” ,并且由于旋流产生的涡与管束传热界面边界层相互作用 ,使湍流度大幅度增强 ,有利于提高壳侧传热膜系数 .PStehlik等[2 ] 对螺旋折流板换热器进行研究得出 ,相同条件下与传统弓形折流板换热器相比 ,换热器的传热系数提高 1 8倍 ,流动阻力降低 2 5 % .陈世醒等[6] 研究发现 ,对于水这样的低黏度流体 ,相同流量单位压降的壳程对流传热系数 ,螺旋折流板换热器约为普通弓形折流板换热器…     

管壳式换热器壳侧不同折流板形式下流体流动与传热数值模拟

利用Ansys Fluent软件对小型管壳式换热器壳侧流体流动和传热进行了数值模拟,考察了单弓形、双弓形和圆环—圆盘三种形式的折流板在不同流量下的流场、温度场和压力场。分析了不同折流板形式在不同流量下对压力降和传热系数的影响:流量越大,压降和换热系数越大;在相同的流量下,单弓形折流板的压降最大,换热系数最小,另外两种折流板在压降和换热系数上没有明显的区别。而且单弓形折流板的压降和换热系数数值模拟结果与实验吻合较好,从而也证实了数值方法的可靠性。     

基于ANSYS-CFX的管壳式换热器壳程性能的数值研究

利用Pro/E对弓形折流板换热器进行了参数化建模,采用ANSYS-CFX对换热器壳程流体的流动与传热做了模拟分析。从数值模拟的角度分析了单弓形折流板换热器壳程振动和传热"死区"产生的原因,研究了不同折流板间距、不同折流板缺口高度及不同进口流速对换热器壳侧传热和压降的影响,并在此基础上对换热器的结构提出了优化措施。     

螺旋折流板换热器三角区漏流阻塞的实验研究

目前普遍使用的螺旋折流板换热器壳程的一个螺距主要采用4块平面折流板结构,但在相邻两块折流板的直边搭接处存在顶角相对的两个三角漏流区,使壳程流体偏离理想的螺旋流,严重影响了换热器的性能。采用折面折流板结构,可以封闭原始折流板之间的外侧三角漏流区,使壳程流体更接近连续的螺旋流动。实验结果表明,采用折面折流板代替原始的平面折流板后,换热器总传热系数增加6.7%～19.1%,平均增大16.9%,表明此折面折流板能有效提高螺旋折流板换热器的换热性能。虽然壳程压降也随之增大,但带来的泵耗功率增量非常有限。换热器的热性能因子均大于1.0,平均值为1.071,表明结构改进后的换热器,其综合性能平均提高7.1%。基于实验数据,拟合了结构改进前后的换热器壳程传热系数和阻力系数的相关实验关联式。研究结果对于换热器的节能优化具有重要的指导意义。     

折流板结构对换热器壳程性能影响的对比研究

建立弓形折流板、连续螺旋折流板和四分螺旋折流板换热器模型,采用CFD软件Fluent借助数值模拟的方法,定量对比分析3种折流板结构下换热器的流动和传热性能。结果表明:同连续螺旋折流板换热器相比,四分螺旋折流板换热器壳程进口段长度增加。相邻折流板间距为128.85 mm时,同螺距128.85 mm时螺旋角为20°的两种折流板结构的螺旋折流板换热器相比,弓形折流板换热器综合性能最差,四分螺旋折流板换热器其次,连续螺旋折流板换热器最高。其中,不同流态下,连续螺旋折流板换热器较四分螺旋折流板换热器壳程综合性能增加7.28%~11.05%,弓形折流板换热器同连续螺旋折流板换热器和四分螺旋折流板换热器相比,壳程综合性能分别降低23.62%~28.65%和15.37%~21.08%。     

折面螺旋折流板换热器的流动传热性能

针对现有平面螺旋折流板换热器的相邻折流板与壳体间存在的三角漏流区,提出了一种折面螺旋折流板换热器。基于实验研究分析了折面螺旋折流板换热器的螺旋角和搭接度对流动传热性能的影响,并拟合了壳程对流传热和阻力系数的实验关联式。结果表明,当壳程体积流量相同时,随着螺旋角的减小,折面螺旋折流板换热器的壳程总压降增加,壳程管束压降增加,壳程膜传热系数提升,综合性能增强;相同壳程体积流量下,随着搭接度的增加,壳程总压降也增加,壳程膜传热系数增加,综合性能提高。实验研究表明螺旋角18°、搭接度50%的折面螺旋折流板换热器流动传热性能最佳。将折面螺旋折流板换热器的螺旋角和搭接度作为修正因子拟合到了实验关联式中,对比发现实验值与Nu实验关联式计算值的平均相对误差为1.13%,与f实验关联式的平均相对误差为6.84%,说明了拟合的正确性和可靠性。研究结果为折面螺旋折流板换热器的设计提供了理论指导。     

帘式折流片换热器强化传热数值研究

为解决折流板换热器壳程流体阻力过大和折流杆换热器低Re下传热系数较小等管壳式换热器的不足,提出了壳程流体"斜向流"的新概念,研制了新型高效节能管壳式换热器?帘式折流片换热器,其壳程传热系数高于折流杆换热器20%～30%,而壳程压力损失大幅低于折流板换热器。以场协同原理分析了斜向流的强化传热机理,指出在帘式折流片换热器壳程中流体速度场与温度梯度场间的夹角小于折流杆换热器,是其强化传热的重要原因。对帘式折流片换热器中折流栅间距、折流片倾角、折流片宽度等重要几何参数对传热和压降的影响规律进行了数值模拟研究,并据此推导了壳程传热系数和流体阻力降准数关联式,为其工程设计和推广应用提供了参考依据。     

基于正交试验的扭转流换热器壳程结构优化

建立扭转流管壳式换热器周期性全截面数值计算模型,采用对比实验验证了数值模拟方法及其结果的可靠性。影响扭转流换热器壳程流体换热和流阻性能的主要因素有相邻两组类梯形导流板间距、导流板宽度、导流板倾斜角度以及每组导流板的数量。设计正交试验,综合研究各参数对扭转流换热器壳程流体传热系数、压降及综合性能的影响,并对影响显著的结构参数进行了优化。结果表明,在研究参数范围内,影响扭转流换热器壳程流体综合性能的主次顺序为：相邻两组导流板间距>每组导流板数量>导流板倾斜角度>导流板宽度。综合性能最优的结构参数组合是相邻两组导流板间距为100mm、每组导流板个数为2、导流板倾斜角度为52.5°、导流板宽度为100mm,综合性能最高为114.9。研究结果为管壳式换热器壳程结构参数进行多目标优化提供了一种新方法,具有一定的指导意义。     

单螺旋和双螺旋折流板换热器性能的研究

为了研究双螺旋结构对螺旋折流板换热器性能的影响及其与单螺旋结构的比较,利用热态试验和数值模拟方法,研究了四分之一扇形和三分之一扇形螺旋折流板换热器单、双螺旋结构的壳程传热和阻力性能.热态试验结果表明,单、双螺旋结构的壳程传热系数和压力损失均随流量的增大而提高.在相同流量下,双螺旋结构的壳程传热系数高于单螺旋结构,同时其壳程压力损失也有所增大.但随着流量的增加,双螺旋结构对应的单位压降下的传热性能与单螺旋基本一致.这说明双螺旋结构可以提高壳程传热性能,同时不会影响换热器的综合性能.因此在流体输送动力允许的条件下,双螺旋结构有利于设备处理能力的提高.数值模拟结果表明,由于折流板数量是单螺旋结构的两倍,因此双螺旋结构对壳程流体具有更强的导流作用,流体的分布更加均匀,且呈现出更加强烈的旋转运动.     

U形导流板换热器传热和阻力性能分析

建立U形导流板换热器和扭转流换热器全截面周期模型,利用计算流体力学（CFD）方法对两种换热器壳程性能进行数值研究。相较于扭转流换热器,U形导流板换热器的壳程压降降低45.3%~47.5%,传热系数降低9.9%~13.5%,均匀性提高2.4%~4.0%,综合性能提高4.0%~14.6%。场协同结果表明,U形导流板换热器壳程流体速度与压力梯度的协同性优于扭转流换热器,而流体速度与温度梯度的协同性不如扭转流换热器。本文利用激光多普勒测速仪（LDV）验证了模拟方法准确性和模拟结果的可靠性;分析了U形导流板结构参数及布置方式对换热器壳程压降和传热性能的影响。结果表明,U形导流板的布置角度和布置方式对性能影响显著,导流板宽度和导流板间距的影响较小。     

换热器结构优化与换热性能评价指标研究

某运载器中冷却器存在若干问题：壳侧压力损失较大；采用的弓形折流板结构使得壳侧工质呈现出Z字形流动，在折流板后易形成流动死区，促使壳侧结垢，使得换热器总传热性能降低。提出了两种针对壳侧结构的强化换热设计方案。方案一为减少弓形折流板数量、增加折流板间距；方案二为采用螺旋折流板替换原有的弓形折流板。为验证文中采用的热力设计方法的准确性，根据文献中的实验结果针对弓形折流板和螺旋折流板管壳式换热器热力设计方法进行了验证，结果表明文中采用的热力设计方法得到的计算数据与实验结果的偏差在37%以内，满足工程设计需求。优化方案根据优化参数不同，其优化结果有所不同，基本存在以下规律：优化设计可使换热器管壳两侧总压降减小，但同时其换热性能也下降。因此，需要一个综合指标来进行评价。文中提出以换热量Q与换热器流动阻力引起功耗的比值作为综合性能评价指标。该指标表示换热系统克服换热器流动阻力消耗单位泵功下的换热量，其值越大，单位泵功下换热量越高，经济性越好。经过计算发现最优方案相对原始方案，综合评价指标提高了约22.2%。     

三叶孔板换热器壳程传热与压降

三叶孔板换热器是一种新型纵向流换热器,由于其具有传热效率高、压降低、抗振结构性能优越等诸多优点而广泛应用于核电行业。搭建三叶孔板换热器壳程传热与压降测试平台,对传热和压降的测量结果进行不确定度分析。对4台三叶孔板换热器模型进行实验研究,结果表明随着Reynolds数的增大,壳程对流传热系数和压降在对数坐标内线性增大;在Reynolds数相同的情况下,随着支撑板间距的增大,三叶孔板换热器壳程Nusselt数逐渐减小,压降逐渐降低,同时压力梯度逐渐减小。为了进一步分析说明三叶孔板换热器壳程传热与阻力性能,基于Bell-Delaware法设计了具有相同结构参数的折流板换热器。与折流板换热器的对比结果表明：三叶孔板换热器壳程Nusselt数平均为折流板换热器的1.25倍,壳程整体压力平均为折流板换热器的0.77,综合性能平均为折流板换热器的1.62倍。     

Effects of baffle inclination angle on flow and heat transfer of a heat exchanger with helical baffles

Numerical simulations were carried out to study the impacts of various baffle inclination angles on fluid flow and heat transfer of heat exchangers with helical baffles. The simulations were conducted for one period of seven baffle inclination angles by using periodic boundaries. Predicted flow patterns from simulation results indicate that continual helical baffles can reduce or even eliminate dead regions in the shell side of shell-and-tube heat exchangers. The average Nusselt number increases with the increase of the baffle inclination angle α when α < 30°. Whereas, the average Nusselt number decreases with the increase of the baffle inclination angle when α > 30°. The pressure drop varies drastically with baffle inclination angle and shell-side Reynolds number. The variation of the pressure drop is relatively large for small inclination angle. However, for α > 40°, the effect of α on pressure drop is very small. Compared to the segmental heat exchangers, the heat exchangers with continual helical baffles have higher heat transfer coefficients to the same pressure drop. Within the Reynolds number studied for the shell side, the optimal baffle inclination angle is about 45°, with which the integrated heat transfer and pressure drop performance is the best. The detailed knowledge on the heat transfer and flow distribution in this investigation provides the basis for further optimization of shell-and-tube heat exchangers.