基于场协同原理的换热网络性能评价因子

换热网络问题严重的非凸、非线性使从数学角度发现此类问题的全局最优解变得十分困难。鉴于此,本文以场协同理论为基础,建立了一种从温差场均匀性角度描述换热网络结构性能的评价因子,以期简化换热网络综合过程,获得高效的换热网络结构。首先以单体换热器的温差均匀性因子为基础,比拟出适用于换热网络的温差均匀性因子,称之为换热网络性能评价因子。继之,选择3个不同的算例,在固定结构和固定面积两个角度下分析了评价因子的有效性。最后,计算结果表明：提出的基于权重的换热网络温差均匀性因子与网络结构的总换热量之间能够形成明显的对应关系,可以准确地描述换热网络结构性能。简而言之,温差均匀性因子的值越小,对应换热网络结构的性能越好。     

粒子群算法最优同步综合换热网络

采用粒子群算法,对无分流换热网络综合问题提出改进的优化策略.运用超结构建立换热网络模型,以最小年度总费用为优化目标,按顺序求解思路优化换热器换热量.该算法比遗传算法简单,所需调节参数少,且不易陷入局部最优解,能迅速得到换热网络的结构与参数,具有获得全局最优解的能力.仿真研究验证了方法的有效性.     

特殊换热网络算例优化与分析

换热网络综合属于混合整数非线性规划问题,具有严重的非凸、非线性特性。为探讨某些换热网络算例可能存在内部公用工程且年综合费用极低的特殊换热网络结构,本文采用了允许公用工程内置的无分流分级超结构模型。基于布谷鸟搜索算法,通过设置最小换热量阀值及以较小概率接受较差结构来指导换热网络结构进化,建立适用于求解换热网络综合问题的优化算法,并对特殊算例的优化结果进行分析。本文列举3个特殊算例,具有热流体的初始温度高于热公用工程的入口温度或热公用工程的进出口温差较大的特征,改进的布谷鸟搜索算法能够搜索到带有内部公用工程的换热网络结构,且年综合费用得到明显下降。结果表明：对于特殊算例,公用工程内置能够优化换热网络的热量分布,节约换热器面积,有效降低换热网络的年综合费用。     

基于最小熵产的多股流换热器通道排列分析及设计

多股流换热器的通道排列一直是其优化设计的重点和难点,本文通过建立其熵产数学模型,分析了多股流换热器换热过程中的上产生机理,得到了熵产与不同通道排列对应性能之间的关系,探讨了基于最小熵产的多股流换热器通道排列的优化设计,同时应用场协同温差均匀性优化原则进行了比较。结果表明,单位换热量的熵产最小可以作为多股流换热器通道排列的优化指标。     

仿蜂巢分形微管道网络中的流动与换热

受自然界中蜂巢结构分形特征的启发,设计和加工了仿蜂巢分形微管道网络,并进行了参数优化.在微管道截面参数、对流传热系数、传热温差均相同的条件下,对流动与换热特性的理论分析表明：加热底面积相同时,仿蜂巢分形微管道网络所能带走的热量可达平行阵列微管道网络的5倍以上;不计分流、合流效应,总换热量一定时,仿蜂巢分形微管道网络所需的泵送功率约为传统平行阵列微管道网络的1/10.恒定热流条件下的去离子水层流对流换热实验也证明：仿蜂巢分形微管道网络比传统的平行阵列微管道网络具有更高的Nusselt数和更低的流动压降.这种分形微管道网络除用于电子器件冷却,还可用于微燃料电池极板、微混合器、微生化反应器等微化工系统结构设计.     

非均匀热流边界条件下螺旋管内流动传热的场协同分析

建立了螺旋管内流动换热的物理数学模型,对均匀和非均匀热流边界条件下螺旋管内湍流传热进行了数值模拟。结果表明:当对螺旋管表面施加相同的加热功率时,均匀热流边界条件下湍流传热系数高于非均匀热流边界条件下的湍流传热系数,且均匀热流边界条件下螺旋管内的场协同角低于非均匀热流边界条件;非均匀热流边界条件时,在相同的De下,曲率较小的螺旋管传热系数大,且曲率较小的螺旋管内场协同角较小;同时,随着管径的增大,螺旋管内的传热系数也随之下降,但螺旋管内的场协同角随之增大。     

非均匀热流边界条件下螺旋管内流动传热的场协同分析

建立了螺旋管内流动换热的物理数学模型,对均匀和非均匀热流边界条件下螺旋管内湍流传热进行了数值模拟。结果表明：当对螺旋管表面施加相同的加热功率时,均匀热流边界条件下湍流传热系数高于非均匀热流边界条件下的湍流传热系数,且均匀热流边界条件下螺旋管内的场协同角低于非均匀热流边界条件;非均匀热流边界条件时,在相同的De下,曲率较小的螺旋管传热系数大,且曲率较小的螺旋管内场协同角较小;同时,随着管径的增大,螺旋管内的传热系数也随之下降,但螺旋管内的场协同角随之增大。     

特殊加热面结构池沸腾换热特性的数值模拟

设计了具有半球结构的3种特殊加热面,采用数值方法对池沸腾换热过程进行了数值模拟,得出了加热表面热流密度与加热面过热度之间的关系,并对恒热流加热条件下的临界热流密度进行了预测。数值计算结果表明:与平面结构相比,文中所提出的具有半球结构的3种特殊加热面均提高了沸腾换热效率。通过对所采用的3种特殊加热面进行比较分析,发现沸腾换热效率随半球结构数量的增多而增大。对沸腾换热效率及临界热流密度进行综合考虑,发现当半球结构数量为16时,换热效果为最佳。值得注意的是,当半球数量为36时,该结构具有最低临界热流密度。     

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%。     

考虑间接换热额外换热温差的间歇过程储热集成

间歇过程流股间换热有直接换热和间接换热两种方式，通过储热介质进行间接换热会产生额外的换热温差。现有的夹点分析方法考虑间接换热额外换热温差后，难以得到经济且可行的储热集成方案。本文在夹点分析的基础上，提出了一种考虑间接换热额外换热温差的间歇过程储热集成方法。该方法首先使用不同的直接换热和间接换热温差进行热级联分析，确定储热集成后的最小冷、热公用工程用量，识别储热位置和储热量，并依据热级联分析结果，建立时间段温焓图确定储热介质温度，得到储热方案。然后，将储热流股转化为放热时间段的冷流股和需热时间段的热流股，进行换热网络综合与优化，得到符合实际应用的储热集成方案。最后，通过经典实例证明了所提方法的可行性和有效性。     

逆流式微通道换热器设计与操作特性分析

采用一维对流-导热耦合模型对逆流式微通道换热器传热特性进行分析和模拟,考察了结构参数、操作条件和材质热导率对微换热器整体效率的影响.计算结果表明,由于器壁径向和轴向传热的相互影响, 与常规尺度换热器相比,微通道换热器的设计和操作特性有许多明显不同的特征.微通道换热器存在最佳操作流量值,该值可作为标准负荷流量,微换热器不宜在亚负荷状态下操作;操作流量越大,微通道换热器最大换热效率越低;微换热器结构采用大深宽比通道和适当的间壁厚度为佳.     

析湿工况下波纹翅片管换热器空气侧换热与压降特性

研究了析湿工况下1、2排波纹翅片管换热器空气侧换热与压降特性,结果表明：管排数对空气侧换热特性的影响明显,2排管的换热因子要比1排管的换热因子大约60%,而管排数对空气侧摩擦因数影响则不明显;翅片效率随冷水入口温度的降低而增加,随入口风速的增加而快速降低;与其他学者的预测模型相比,换热因子偏小30％。     

高温煅烧石油焦排料过程余热回收

为了实现煅烧石油焦在排料过程中余热的高效回收利用, 本文利用自行搭建的高温煅烧石油焦余热回收试验系统, 研究了煅后焦当量排料速度、换热管类型、换热器当量入口流速等参数变化对余热回收性能的影响规律。试验结果表明:利用余热回收换热器既可实现煅后焦余热的高效回收, 平均余热回收效率为78.9%, 又能实现煅后焦的均匀冷却, 温度不均匀系数仅为0.0757;随着煅后焦当量排料速度的增加, 内换热器和外换热器的传热系数均逐渐增加, 余热回收效率先增加后降低;翅片型换热器比光管型换热器的换热性能明显提高, 余热回收效率提高了7.4%, 同时换热器出口处煅后焦的温度不均匀系数减少了32.6%;随着当量入口流速的增加, 外换热器和内换热器的传热系数均逐渐增加。     

多回路泵驱动回路热管系统的换热特性

为提高泵驱动回路热管系统的温度效率,探讨多回路系统替代单回路系统用于空调系统排风能量回收的技术可行性,制作了单回路和三回路泵驱动回路热管系统样机,搭建实验测试平台,研究单回路和三回路系统在夏、冬季运行工况下的换热特性,并基于换热温差均匀性原理进行对比分析。结果表明,相比于单回路系统,三回路系统的性能更优,冬季工况下室内外温差为31.9℃时,换热温差均匀性明显改善,系统温度效率提高22.6%,夏季工况下系统温度效率变化不大。     

用于空调能量回收的板式脉动热管换热器

为提高脉动热管换热器在空调系统排风能量回收中的换热效率,提出了一种新型并联槽道板式脉动热管及由其组成的换热器。首先对单片热管在空调排风夏季工况下的能量回收情况进行了传热性能实验研究,影响因素包括槽道当量直径、充液率、工质种类、风速、风温、微倾角;然后对一组由7片热管顺排形成的板式脉动热管换热器的换热效率进行了计算。研究表明：新型板式脉动热管的适用工质为R141b,最佳充液率为25%;传热性能随新风温度及风速的升高而增强,新风、排风温差小于6℃时热管不启动;随风速增加,换热量增加,但换热效率有所降低;给定工况下板式脉动热管散热器的换热效率为44.1%;微倾角可使空调能量回收系统在保证良好换热效率的同时实现换季不换向,热管安装宜采用+2°左右的微倾角。     

用于高热通量电子散热的平板环路重力热管

为解决高热通量电子设备散热问题,设计一套蒸发器上下表面由多个方柱相连的平板型环路重力热管（LGHP）。通过实验研究其换热性能,包括在不同加热功率下平板热管的传热特性及均温特性,以及蒸发器摆放方式和不同种工质对平板热管传热性能的影响。实验结果表明,环路热管工质采用R134a的工作性能比R600a好,平板竖直放置比水平放置好。采用R134a且竖直放置时,其临界热通量（CHF）可达212.3 kW/m²,对应传热系数为16.2 kW/（m²·K）。该平板换热器可以保证电子设备工作温度不超过60℃,且运行过程中平板蒸发器与热源接触的壁面各测点间除出口处外温度差值小于5℃,均温性能优异。     

渗流作用下垂直埋管换热器钻孔内外耦合传热计算与分析

为了研究渗流对地埋管换热器性能的影响,综合多孔介质中移动有限长线热源与钻孔内准三维传热模型建立了地埋管换热器钻孔内、外非稳态耦合传热的解析模型,并通过热响应试验数据验证了耦合模型的正确性。探讨了渗流作用下埋管出口水温及其周围土壤温度动态响应的变化规律,利用埋管换热能效系数和单位井深换热量两个指标的变化评估了渗流对埋管换热器传热性能的影响。结果表明:不同类型的土壤中埋管传热性差别较大, 若忽略渗流速度较大的砂砾层中渗流的影响将导致其中埋管的单位井深换热量设计偏差高达41%;渗流对埋管散热起到促进作用且散热达到稳定所需的时间随渗流速度增大而缩短;推荐采用埋管的进口质量流量流速大于0.4 kg·s^-1,但不宜过大;埋管进口温度对换热能效系数的影响可忽略。并对典型水文条件下各土壤中渗流对串联管群的换热能效系数的影响进行了对比,指出地下管群环路的换热能效系数由土壤物性、渗流速度及串联埋管的钻孔数量共同决定的。     

逆向传热

对换热器设计中经常遇到,同时又易于忽略的温度交叉和逆向传热进行了深入的探讨并指出其弊病。通过换热器的严格法计算机模拟,对某烃-水换热器,完成规定的热负荷;若采用单台换热器,存在6.5℃的温度交叉,需面积229m2,若采用2台串联,既避免了逆向传热,面积还降低到78m2。通过对于最常用的3类换热器分析得到以下结论:由于存在逆向传热的风险以及对数平均温差校正因子过低,单壳程、双管程换热器不允许存在温度交叉;而对于单壳程、单管程和双壳程、双管程2类换热器,允许存在温度交叉,且无逆向传热之虞。最后指出了解决逆向传热的方法。     

Flow distribution of hydrocarbon fuel in parallel minichannels heat exchanger

In this article, the flow distribution of the Chinese No. 3 jet fuel in parallel minichannels heat exchanger under high temperature condition was investigated. The models of PFR and choked flow were established based on the real fluid model. The formation mechanism of flow maldistribution of the fuel in the freely distributed channels was studied. It was found that: under low heat flux, the slight flow rate deviation will be spontaneously eliminated; under high heat flux, the slight deviation of flow rate and heat flux will be enlarged and result in the channel with smaller flow rate entering the coking region. The feasibility and influence factors of the control method of flow distribution based on choked flow were discussed. The experimental results indicated that the minichannels fuel‐cooled plate with choked flow could maintain uniform flow distribution when the total fuel outlet temperature reached 1035 K. © 2018 American Institute of Chemical Engineers AIChE J, 64: 2781–2791, 2018