板翅式换热器封头结构的数值模拟

建立了板翅式换热器封头结构的湍流数学模型 ,并采用此模型对目前工业中应用的基本型封头内部的速度场分布进行了数值计算 ,计算结果表明 :封头内部物流分配存在严重的不均匀性 ,同时发现改变封头的结构可以有效地改善换热器内部的物流分配 .在此基础上对两种改进型封头结构进行了数值模拟 ,计算结果表明改进效果明显 ,在进口Reynolds数为 83000时绝对不均匀度已从3.47减小到 0 .71.计算结果与实验结果吻合良好 .     

板翅式换热器封头结构的物流分配特性

数值研究了传统型封头结构对板翅式换热器内部物流分配的影响。数值计算结果表明,换热器内部存在严重的物流分配不均匀性,当平均雷诺数为1 000时,最大不均匀度达0.56。在对物流分配不均匀性分析的基础上,首次提出了曲面孔板封头结构,并对改进型封头结构进行了数值计算。计算结果表明,改进的封头结构可以有效地改善换热器内部的物流分配,并且比平面孔板封头结构更加有效,绝对不均匀度已从3.47减小到0.32。实验结果与数值计算结果对比表明二者吻合较好,说明了数学模型及算法建立的可靠性。     

封头结构对板翅式换热器温度分布特性的影响

在对板翅式换热器内部物流分配不均匀性研究的基础上,研究了各种封头结构对换热器换热性能的影响以及由于换热器内部物流分配不均匀引起换热器效能下降的问题.实验结果表明：不同封头结构对换热器流量分配和温度分布影响很大,改进型的封头结构不仅缩短了换热器从开启到稳定工况的时间,而且使得板束内部截面物流分配和温度分布更加均匀,并且通过实验研究得出了物流分配不均匀度与换热器整体效能变化的关系曲线和关系式.     

封头结构对板翅式换热器物流分配不均匀性的影响

纵向传热、温度场与物流分配不均匀对换热器效能的影响具有耦合关系,其中物流分配的不均匀会加剧其内部温度场分布的不均匀,增大换热器的纵向传热,导致其效能的下降,所以物流分配的不均匀在三者中对换热器效能的影响最为重要.因此,对引起物流分配不均匀的因素进行研究是板翅式换热器优化设计的重要内容.针对板翅式换热器内部流动特性对封头结构的影响进行了深入研究.研究发现：封头结构的影响主要体现在垂直于总管流动方向上.发现了封头结构的改进方法,通过改变封头结构的设计可以有效地改善换热器内部的物流分配.     

板翅式换热器入口流场的模拟及实验研究

利用PIV粒子图像测速仪和CFD数值模拟的方法,对板翅式换热器入口结构改进前后的流场进行了研究,发现其内部流场的流动与分布规律。由于原始入口结构的不合理导致漩涡、回流等现象存在,使得其内部的物流分配极不均匀。而对于添加了打孔挡板的改进型结构,物流分配的均匀性有了很大改善。实验结果和数值计算结果吻合良好,不仅验证了计算模型的正确性,而且证明PIV技术适合于研究复杂的流动结构。     

错排孔板封头对板翅式换热器流动与换热的影响

在对板翅式换热器内部物流分配研究的基础上,研究了错排孔板型结构封头对板翅式换热器出口流动与换热的影响。通过实验与工业用基本型封头对比,结果表明错排孔板型封头能够明显地改善换热器出口截面流量和温度分布的不均匀性。在Re=2 000时换热器的出口流量分布不均匀度大幅度地下降;而在Re数较大情况下,能更加显著地改善温度分布的不均匀性。     

导流片的导流角度对其性能的影响

引起板翅式换热器内部物流分配不均匀的因素是多方面的 ,针对不同导流角度对导流片性能的影响进行了研究 .发现板翅式换热器内部存在着物流分配的不均匀 ,其中横向物流分配的不均匀性大于纵向物流分配的不均匀性 ;影响导流片性能的主要因素包括导流片的导流角度、Reynolds数等 ;当导流角为 45°时 ,其导流性能达到最佳 ,而总管流动阻力没有大的变化 .研究结论对板翅式换热器的优化设计具有重要意义     

板翅式换热器二相流的分配特性

为了提高板翅式换热器内部二相流体分配的均匀性,对二相流体在结构改进前后的换热器内的分布特性进行了实验研究。实验结果表明,由于现有换热器结构设计的不合理,使得二相流体分布极不均匀。而且,由于二相流体之间复杂的相互作用,二相流体在换热器内的分布较之单相流体更复杂且更不均匀。而改进型的孔板封头结构可有效提高换热器外围通道的流体分配,从整体上改善板束单元体截面二相流体的分布,其二相分布的不均匀系数均有效降低。而且,其分配稳定性好,不易受雷诺数变化的影响。     

不同封头对板翅式换热器流场及阻力的研究

研究了3种封头结构在不同Re下对板翅式换热器出口通道物流分配和阻力损失的影响。结果表明,基本型封头造成板翅式换热器内部物流分配极不均匀,而孔板型封头结构能有效地降低不均匀参数和最大流速比,改善物流分配效果;孔板型封头结构增加了换热器的阻力损失和摩擦系数;错排孔板型封头在改善换热器物流分配的同时,也较好地抑制了阻力损失的增加,故其结构最为合理。     

板翅式换热器两相流分配器

两相流体分配不均匀是造成低温换热器传热性能急剧下降的主要原因。在板翅式换热器两相流入口设置分配器是一种广为采用的改善分配特性的工程方法。本文以空气-水实验模拟系统研究了一种两相流分配器的分配特性。研究表明：所研究的气液分配器能够提高气液在板翅式换热器层间翅片通道分配的均匀性。     

板翅式换热器导流片结构参数对其导流性能的影响

由于板翅式换热器结构的复杂性,存在着内部流动速度分布的不均匀性,从而引起其换热效率下降,影响了换热器的整体效能.引起流动速度分布不均匀的因素是多方面的,针对不同导流片结构参数（h/H）对导流片导流性能的影响进行了深入研究,发现导流片结构参数对换热器内部流动速度分布不均匀性的影响主要表现在总管流动方向上,通过改变板翅式换热器导流片的结构参数可有效地改善换热器内部物流在总管流动方向上的分配情况,从而有效地改善换热器内部流动速度的分布.研究结果对板翅式换热器的优化设计具有重要意义.     

板翅换热器导流结构非线性映射与性能多目标优化

板翅式换热器入口位置纵向方向上的流体分布不均匀问题影响不同层之间流体传热。目前已有的导流结构采用试验方式确定部分参数,缺乏对导流结构参数优化。本文提出板翅换热器导流结构多目标优化分析方法,分别考虑导流结构中孔径、孔数、流体流速、板翅式换热器入口直径、导流结构在换热器入口处的位置、孔的间距等影响换热器入口处流体均匀分布的因素,构建导流结构压强与单位时间换热量的多目标优化数学模型。采用正交试验方法选择不同参数组合建立仿真试验模型,根据试验结果推导导流结构非线性映射方程,以BP神经网络与遗传算法相结合的方式对导流结构尺寸进行优化分析,得到导流结构多目标优化结果。采用Fluent数值模拟板翅式换热器导流结构参数优化前后流体均匀分布情况,通过对比无导流结构板翅换热器可以看出,对导流结构进行优化可以明显改善流体在换热器各层流道中的流动均匀性,提高换热量,强化换热器的传热性能。     

CFD Simulation of Flow Distribution in the Header of Plate‐Fin Heat Exchangers

The flow distribution through a plate‐fin heat exchanger is studied by using a computational fluid dynamics (CFD) code, FLUENT. The flow distribution through any heat exchanger affects its performance. In designing a heat exchanger, it is assumed that the fluid is uniformly distributed through the heat exchanger core. In practice, however, it is impossible to distribute fluid uniformly, because of an improper inlet configuration, imperfect design, and a complex heat transfer process. The CFD simulation of the flow distribution in the header of a conventional plate‐fin heat exchanger is presented. It is found that the flow maldistribution is very serious in the y‐direction of the header. A modified header is proposed and simulated using CFD. The modified header configuration has a more uniform flow distribution than the conventional header configuration. Hence, the efficiency of the modified heat exchanger is seen to be higher than that of the conventional heat exchanger.     

物流分布对板翅式制氢反应器性能的影响

建立了板翅式制氢反应器中的三维数学模型,并采用此模型对反应器内部的温度分布进行了数值计算,并且和实验结果相结合,对不同方式的燃烧气流分布的效果进行分析。计算和分析结果均表明:燃烧气流分布均匀与否对反应器性能的影响较大,通过改进气体分布可以有效地改善反应器内部的温度分布及反应性能。     

三角形布管方式下2种换热器的场协同分析

基于采用周期性全截面计算模型得到的帘式折流片换热器和折流板换热器壳程流体流动和传热数值计算结果,应用场协同原理对二者传热性能进行了分析。分析了帘式折流片换热器在壳程不同位置处的速度和湍流度,以及场协同角和对流传热系数,并与折流板换热器相同位置处的情况进行了对比。由于折流板壳程流体为横向流动,而帘式折流片壳程总体上是纵向流动,故折流板换热器的平均流速和湍动度稍高于帘式折流片换热器,平均流速为帘式折流片换热器的1.15倍,其湍动程度为帘式折流片换热器的1.4倍;折流板换热器2条验证线上的场协同角的平均值均小于帘式折流片换热器。研究结果为管壳式换热器结构改进和性能提升提供了参考依据,同时帘式折流片换热器的这种结构特点对于节能降耗的研究也具有重要意义。     

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。     

催化燃烧蒸发器内气体浓度冷态分布规律

催化燃烧蒸发器作为一种强化传热的有效手段,具有高效、结构紧凑和易放大等优点.催化燃烧蒸发器中的浓度场分布对其传热性能具有重要的影响.运用多空介质模型对燃烧蒸发器内部流体分布特性进行了CFD模拟,分析计算了冷态时N₂和H₂ 在混合腔内浓度的分布特性,同时进行了实验验证.模拟和实验结果具有相同的变化趋势,而且结果表明不同空速下燃烧蒸发器中存在较大的浓度分布不均匀性,改变出口位置对浓度场的分布具有一定的改善作用.通过对燃烧腔中浓度场分布的模拟为燃烧蒸发器的进一步优化设计提供了理论依据.     

Numerical Analysis of Header Structure Improvement in a Plate‐Fin Heat Exchanger

In order to improve the flow uniformity in a plate‐fin heat exchanger (PFHE), a modified header structure with a plain baffle inside is proposed. Flow distribution and pressure drop in the header were studied by numerical methods. The results show that the modified header is highly efficient in improving the flow uniformity with negligible pressure drop increase. A performance effectiveness factor was introduced to predict the effects of the modified structure on the performance of the PFHE. Influences of baffle structure parameters on modified structure performances were further discussed. The modified header structure can effectively improve the performance of a PFHE.     

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。     

催化燃烧蒸发器热态流场分布研究

为了改善催化燃烧蒸发器中反应和蒸发的耦合行为,提高蒸发器的热效率,文章对催化燃烧蒸发器进行了热态实验研究和数值模拟,确定燃料完全燃烧需要的过氧系数随着空速的增加而降低;同时,通过对催化燃烧蒸发器内初始浓度场和温度场的分析比较,说明当放热反应速率较快时,燃烧腔内温度场的空间分布主要受初始浓度场分布决定。实验和模拟结果的很好吻合,说明建立的多孔介质模型能够很好地预测燃烧腔内的流场分布。