列管式固定床反应器管束间单相流动与传热的CFD研究

为研究列管式固定床反应器壳程内换热介质的流动与传热特性,采用数值模拟的方法求解得到壳程流体速度与温度分布场.模拟结果受湍流模型影响,将壳程传热膜系数和压降的CFD模拟结果与经验方法结果进行比较后选择偏差最小的realizable k-ε湍流模型.模拟结果显示换热介质在反应器壳程内的流动与传热分布不均匀,折流板前背部存在漩涡和传热死区,错流区和折流板缺口区的传热效果较好.为验证CFD模拟结果的可靠性,将不同传热量和进口流量条件下的模拟结果与经验方法结果进行比较,偏差在可接受范围内.     

螺旋折流板换热器流动与传热数值模拟

应用Fluent软件,建立了螺旋折流板换热器壳程通道的三维物理模型,采用RNGκ-ε模型,对壳程内的流动与传热进行了数值模拟,得到了换热器内的速度场和压力场分布情况。通过实验测试,将模拟结果与实验结果进行比较,并根据单位压降下的传热系数对比了螺旋折流板换热器与弓形折流板换热器的性能差异。     

折流板换热器壳程湍流流动与换热的三维数值模拟

利用FLUENT软件对折流板换热器壳程湍流流动与换热进行了三维数值模拟。得到了折流板换热器的温度场、速度场、质点迹线图、压降分布图等。根据模拟得到的结果,从多个方面对折流板换热器壳程湍流流动与强化传热进行了有益的探讨。     

螺旋折流板与弓形折流板换热器性能的数值模拟

针对弓形折流板、连续螺旋折流板换热器,采用FLUENT软件,k-ε湍流模型,通过数值模拟的方法比较了4块挡板的弓形折流板换热器和4个螺旋的螺旋折流板换热器的壳程流动与换热性能。结果表明:弓形折流板换热器流动湍动程度强,换热系数更大;螺旋折流板换热器壳程流动呈螺旋状,流动阻力更小;比较单位压降换热系数,螺旋折流板换热器综合性能优于弓形折流板换热器。     

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。     

折流杆换热器壳程湍流和传热的数值模拟

折流杆换热器壳程结构复杂,用理论方法难以获得壳程流体流动和强化传热机理.为了分析折流杆在换热器壳程中作用,采用数值方法研究了壳程流体的流动和换热状况.首先对壳程结构进行适当简化,提出了换热器壳程的"单元流道"模型用于研究纵流式换热器壳程流场和温度场的实际细观信息.针对三维几何模型和数学模型,数值模拟采用标准k-ε两方程湍流模型,用SIMPLE算法求解速度和压力的耦合关系,流道的固体边界采用壁面函数法,在不同进口流量下对单元流道进行模拟.结果表明,纵横交错布置的折流杆在单元流道中不断分割和剪切流道内流体,其扰流作用促进了流体湍流,减薄了液体边界层,减小了对流换热热阻,因而有效地提高了流体的对流换热强度.数值分析结果可为折流杆换热器的结构优化和性能提高提供理论依据.     

螺旋折流板换热器阻力及换热性能数值模拟

为研究连续螺旋折流板换热器阻力及换热性能,采用CFD数值模拟方法,选用k-ε湍流模型,比较了螺旋折流板换热器壳程流动与换热性能,进一步研究了不同螺旋角在不同入口速度下的阻力及换热性能。结果表明:不同螺旋角的螺旋折流板换热器,随着螺旋角增大,进出口压降逐渐减小,换热系数也减小;比较螺旋折流板换热器的单位压降换热系数,为了保证换热效率,螺旋角为40°时换热器的综合性能最优。计算结果为螺旋折流板换热器的螺旋角选择提供了理论依据。     

错流列管式反应器管间流动与传热的CFD模拟

为保证管间换热介质的均匀流动,利用计算流体力学(CFD)软件Fluent对丙烯氧化制备丙烯醛列管式固定床反应器的管间流动和传热进行了研究。通过比较CFD模拟结果与Bell-Delaware法计算结果,确认了CFD模拟的可靠性。考虑盘环型错流列管式反应器为中心轴对称的结构,采用中心角为15°的片状模型,模拟考察了不同管板环隙对管外冷却介质温度分布和流动压降的影响,结果表明,在反应器的第三块折流板缺口区域附近以及离开折流板一定高度的带状区域存在相对高温区,其位置和形状随管板环隙有明显的变化;管板环隙大小会直接影响管间的总压降和温度分布状况;综合考虑径向温差和总压降,得到了对于不同直径反应器的最优环隙尺寸。模拟结果为设计管间均匀流动的列管式固定床反应器提供了依据。     

三叶孔板换热器壳程流体流动和传热特性数值研究

利用FLUENT软件对三叶孔板换热器壳程流体流动和传热特性进行了数值模拟研究,通过建立周期性全截面计算模型,对其强化传热机理进行了研究,分析了壳程内不同位置换热管壁面对流传热系数与换热管至壳体轴心距离的关系。结果表明:流体流经三叶孔时产生的射流以及在三叶孔板后产生的二次流动使壳程传热得到强化;三叶孔板换热器壳程内随着换热管至壳体轴心距离的增大,换热管壁面对流传热系数逐渐减小。     

梅花形孔板换热器壳程流动与换热特性模拟

换热器是化工生产的重要设备之一,为了解决传统的弓形折流板换热器存在压降过大和换热效率低的问题,设计了一种新型的梅花形孔板换热器。针对使用简化模型进行模拟研究的局限性,构建了梅花形孔板换热器壳程全三维模型。采用CFX模拟比较了梅花形孔板换热器与弓形折流板换热器壳程的流动换热特性,并进一步研究了孔板间距与换热器性能的相关性,得到了换热管外表面平均对流换热系数h,以及壳程压降Δp随雷诺数Re变化的规律。研究结果表明:梅花形孔板换热器可以有效消除折流板换热器中存在的流动死区并减少壳程压降,同时孔板处流体形成射流破坏流动边界层,强化换热。在模拟雷诺数范围内,孔板换热器的综合性能参数h/Δp相比折流板换热器平均高约12%;相同雷诺数下孔板间距越大换热器综合性能越高。     

换热器的管束支撑结构发展概况

综述了管壳式换热器壳程内换热管束支撑结构的发展概况.管束支撑由传统的弓形折流板发展为多种结构形式的折流杆、整圆形孔板和螺旋折流板等,不但提高了换热器整体传热性能,而且还大大降低了壳程流动阻力.可为换热器的结构优化和性能完善提供参考.     

曲面弓形折流板换热器壳程流体流动与传热

提出一种新型折流板--曲面弓形折流板,并构造曲面弓形折流板换热器,采用数值模拟和实验相结合的方法研究其壳程传热和流动阻力性能。在实验方面,设计了实验用曲面弓形折流板和普通弓形折流板换热器试样,其中换热器管束采用可拆连接形式,以考察不同折流板结构和板间距的影响。通过改变管程及壳程流量和管程流体进口温度,获得了大量对应于不同折流板结构的壳程压力降和传热系数实验数据。在模拟方面,利用Fluent软件建立了曲面弓形折流板换热器和普通弓形折流板换热器流体数值分析模型,得到了壳程流体流场分布及壳程压力降和传热系数。结果发现,在相同结构参数和流动条件下,曲面弓形折流板换热器壳程压力降比普通弓形折流板换热器降低9%～24%,而壳程传热系数比普通弓形折流板换热器提高3%～11%。     

考虑物性变化及壳体传热的新型板壳式换热器板程流动传热数值模拟

板壳式换热器以优越的换热性能和耐温耐压性在化工生产等领域有着广阔的应用前景。本文采用可实现k-ε湍流模型结合增强壁面函数,对一种新型板壳式换热器板程流动与传热特性进行数值模拟研究,讨论了介质物性变化及壳体传热的影响,并与已有实验进行验证。重点分析了不同波纹高度在不同入口流速下的流动传热特性,基于场协同理论揭示了速度场与温度场及压强场协同分布规律。结果表明：流动传热计算不能忽略流体介质物性变化及壳体传热的影响;增大波纹高度流态由曲折流向十字交叉流转变,板间流体分布趋于均匀,换热性能增大;沿沟槽形成连续的涡结构,在触点周围形成具有周期性和中心对称的高剪切涡量集中区,垂直于流动方向场协同呈现周期性变化,波纹高度越高周期性越明显;在波纹核心流域内因流动与热流相似,其协同程度变差。     

杆栅支撑纵流壳程换热器壳侧流体流动与传热的数值模拟

根据杆栅支撑纵流壳程换热器的结构特点对其进行简化,建立了周期性单元流道模型,应用CFD软件FLUENT对不同介质、不同Reynolds数、不同折流栅间距时的模型进行流动和传热的模拟、分析与比较,获得了流道内流体流动和传热的细观特征以及折流栅间距的最优取值范围,为纵流壳程换热器的研究和应用提供了一定的参考.     

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。     

管壳式换热器壳程特性数值模拟

通过合理简化,建立管壳式换热器的实体模型,用大型CFD（computational fluid dynamics）软件FLUENT对于管壳式换热器壳程的流体流动与传热性能进行数值模拟研究.利用判断周期性充分发展段的3个主要特征,分别从压力差、无因次温度、速度3个方面,分析具有不同流体速度、不同流体介质、不同折流板间距时几种折流板管壳式换热器模型的进出口段对于壳程流体流动与传热性能的影响.结果表明,管壳式换热器结构一定的情况下,进出口段对壳程流体流动和传热周期性充分发展段的影响长度不随壳程流体性质、流动速度的变化而变化;随着折流板间距与筒体内径的比值增大而增大.     

网状孔板纵向流换热器壳程流体流动及换热特性的数值模拟

应用CFD软件对网状孔板换热器壳程流体流动及换热特性进行了数值模拟研究,揭示了网状孔板强化传热的机理,分析了孔板间距及开孔率对其换热、压降性能的影响,推导出网状孔板纵向流换热器壳程换热与流动的准数关系式. 结果表明,流体流过网状孔板产生射流及二次流现象,强化了壳程流体的传热;在Re=2300~6300范围内,网状孔板换热器比弓形折流板换热器的Nu数增大约50%,但压降比弓形折流板换热器高约2.5倍;在研究范围内,孔板间距减小、开孔率减小均能使壳程流体的Nu数及压降增大,且Re数越大,开孔率、折流板间距对Nu数及压降的影响越大;但随开孔率、折流板间距减小,流体压降增加的速度明显比Nu数快.     

折流板换热器壳程流场数值模拟与结构优化

基于多孔介质与分布阻力的概念,采用FLUENT软件对单弓形折流板换热器的壳侧流场进行了三维数值模拟,模拟结果与实验结果吻合较好。在此基础上针对折流板换热器壳程压降大、能耗高、存在传热死区等的缺点提出了壳程流场的改进方案,通过数值模拟可以看到壳程流场改进后不仅具有压降低、场协同性能好、基本无传热死区等特点,而且在一定程度还提高了管束抗流体诱导振动的性能。     

三螺旋折流板换热器多流路通道流动与传热数值模拟

为了增加大螺旋角下单位长度换热管上螺旋折流板数量提高换热,提出三螺旋折流板导流结构,对设置三螺旋折流板后壳程流体的流动与传热进行了数值模拟,重点考察了Reynolds数Re=1391～4174时的壳程压降及对流传热系数,与设置单螺旋折流板的对比结果表明：三螺旋折流板换热器壳程对流传热系数高27.9%,JF因子高13.67%,综合传热性能更好。在此基础上运用耗散理论分析了三螺旋折流板采取不同螺旋角时对换热效率的影响,发现由传热引起的耗散率随Reynolds数变化规律与壳程对流传热系数随Reynolds数的变化规律类似,相同流量条件下螺旋角为64.8°的换热器耗散率最小。另外,中心换热管与壳壁附近换热管的传热系数比较结果显示,中心管热交换量均低于壳壁附近换热管热交换量。     

螺旋折流板换热器壳程流体流动的数值模拟

在对螺旋折流板管壳式换热器结构和操作条件进行简化的基础上,采用计算流体动力学分析方法建立数学模型,并利用CFD分析软件FLUENT模拟换热器壳程流动特性,得到了换热器壳程流场分布的直观信息。对流体传热特性做了初步探讨,并比较了弓形折流板换热器和螺旋折流板换热器的流动特性,为这种换热器结构的优化和产品的研究开发提供一定的依据。