带有横向微沟槽的矩形紧凑式通道换热器内超临界液化天然气工质换热强化特性模拟研究

提出了一种用于超临界液化天然气换热的微小通道换热器整体性能提高的被动式强化技术并进行了数值模拟验证和设计优化。在普通的矩形微小通道内利用3D激光打印技术在壁面加工横向圆弧形微沟槽以强化换热能力。首先对圆弧形微沟槽的槽深、槽宽和相邻两槽道中心距等几何尺寸进行了优化计算,然后讨论了在使用强化技术后工质温度在跨越临界温度的120K-250K范围内的换热强化和流动特性,进一步考察了工质温度、质量流量（雷诺数）和进口压力对换热系数（努塞尔数）、摩擦因子和综合效益系数的影响。此外,通过微沟槽附近的局部流动特性分析强化换热机理,数值模拟结果表明带有横向微沟槽的紧凑式换热器的综合换热效益得到30%左右增加,显示了优异的换热强化综合效果     

熔盐与亚临界汽/水在管壳换热器中传热特性实验研究

以太阳盐（Solar Salt）为工质，实验研究熔盐与过热蒸汽/亚临界水在管壳式换热器中的流动传热特性，并开展管侧及壳侧流量、入口温度、压强等参数对熔盐流动传热的敏感性研究。实验结果表明，熔盐入口温度对其传热规律影响较大。根据传热相似原理，获得熔盐与单相汽、水传热的修正关联式，其与实验值的最大偏差分别为±10%,-15%。     

多孔微通道流动沸腾换热特性的实验研究

本文通过实验的方法对烧结的多孔微通道和铜基微通道的沸腾换热性能和流动不稳定进行研究.实验工质选用去离子水,采用的铜粉粒径分别为30μm、50μm、90 μm,烧结底厚为200 μm和400 μm.采取控制变量的方式,研究改变入口温度、铜粉粒径大小、入口流量对多孔微通道和铜基微通道换热性能的影响.研究表明:多孔微通道最优的厚度粒径比在2～5之间,在此区间的多孔微通道可以提高沸腾传热的性能.其中厚度粒径比为2和4的多孔微通道的最大换热系数是铜基微通道的换热系数的5倍.多孔微通道相对于铜基微通道有更好的换热能力,有着较低的壁面温度.     

波纹管对管壳式换热器内流体传热及流动特性的影响

为解决传统管壳式换热器换热效率低的问题,采用数值模拟的方法对波纹管换热器进行了数值模拟分析。研究表明:管壳式换热器壳程进口流量超过2 257 kg/h时,采用增加壳程进口流量来强化换热器内换热的方式整体经济性较差;与直壁管换热器相比,波纹管换热器的对流换热系数提高45.2%～51.1%,壳侧压降反而降低了2.6%～13.1%。同时发现,整个研究范围内性能评价指标EEC1; EEC受进口流量影响较大,其最优值出现在1 250～1 500 kg/h范围内。本研究结果为波纹管换热器在工业中的应用提供重要参考价值。     

翼型结构对印刷电路板换热器流动与换热特性影响

印刷电路板换热器(PCHE)作为超临界二氧化碳(S-CO₂)布雷顿循环中的重要设备,其性能会影响系统的效率。为了提高翼型PCHE性能,探究翼型翅片结构对其流动与换热性能的影响。本工作针对S-CO₂布雷顿循环系统中的高温回热器,采用数值模拟的方法,选用S-CO₂为传热工质。通过对3种不同结构的NACA0020的翼型翅片通道的流动与换热性能进行比较,研究翼型翅片最大厚度在弦长上的位置参数对换热器的性能影响,并从热工水力性能、综合性指标、整体流动性、局部性能等方面分析了变化规律。结果表明,在翼型翅片结构中保持相对厚度不变的情况下,随着翼型翅片最大厚度在弦长上越接近翼型前缘的位置,其换热性能也会随之提高。其中NACA0020-20的翼型翅片通道在选定的工况条件下,j因子和Nu比其他两种翼型翅片通道大2.7%～8.8%和2.7%～8%,并且该翼型翅片结构可以有效地减小边界层所带来的影响,提高了其PCHE的换热性能,其综合性能更是优于其他两种翼型翅片。研究结果对于翼型PCHE的结构设计和性能优化提供了一定的依据。     

熔盐-气体换热器传热性能的实验研究

利用搭建的熔盐换热器传热性能实验系统,对一台熔盐-气体换热器试件进行硝酸盐-空气、硝酸盐-氦气两组传热特性实验,并采用修正的威尔逊法分离相应的管程和壳程对流换热系数。实验分析表明:实验系统能够可靠地完成熔盐-气体换热器换热性能的测试实验;熔盐-气体换热器的传热性能受气侧传热能力的影响,采用传热能力强的气体介质和强化传热措施可提高熔盐-气体换热器的性能;Gnielinski公式同样适用于熔盐在光滑圆管内过渡和湍流流动传热的计算。     

两种用于HCPV/T的水冷换热器传热特性的对比实验研究

本文对两种适用于高倍聚光发电供热（HCPV/T）系统的多槽道和微通道水冷换热器进行了实验研究。利用模拟热源模拟了HCPV/T系统中光伏电池工作时的热流密度,分别研究了流量、壁面温度和输入电压对两种换热器传热特性的影响,并利用传热学理论对两种换热器的特点进行分析,获得了两种换热器努赛尔数Nu与雷诺数Re的拟合经验公式。实验结果表明,微通道换热器在低流量下有较强的换热能力,但在高流量下,换热能力无法随流量增大继续提高;多槽道换热器在低流量下换热能力不佳,但在高流量下仍可随流量增大继续提高。     

旋转状态下工质冷凝换热特性的实验研究

旋转产生的旋转附加力对板式冷凝器通道中流体的流动状态产生扰动,影响流体的换热性能。建立旋转换热实验台对不同转速下板式冷凝换热器的冷凝换热特性进行研究。实验结果表明:随着转速的增加,换热器的换热性能呈现增加趋势。同一工质流量和冷却水流量时,转速在0~48 rpm范围内时,板式冷凝器的总传热系数最大增加幅度37.89%,R22侧换热系数最大增加幅度为27.95%,冷却水侧换热系数增加幅度基本保持在12%左右。综合分析,当转速和流体流量在一定范围内时,转速对R22侧气液两相流体的冷凝换热性能影响较大,对单相冷却水侧的换热性能影响较小。     

多种纵向涡发生器配置方案流动换热的数值模拟

为了深入挖掘三角翼纵向涡发生器在两个相对壁面布置的强化换热潜力,采用数值模拟方法,在雷诺数3 000～18 000的范围内研究了5种纵向涡发生器配置的流动换热情况,配置方式包括单面布置的共同上、下流配置,双面布置的共同上、下流配置,以及混合配置。结果表明：纵向涡可以很好地提高场协同效果,换热强度不完全取决于通道中的二次流强度,还取决于通道中的场协同性;在所有配置中,混合配置具有最高的二次流强度、最佳的场协同效果以及换热性能,可以将光滑通道的Nu提高28.3%～35.3%;另外4种配置可分别将光滑通道的Nu提高21.4%～32.0%,20.0%～29.2%,26.3%～34.3%和23.7%～28.0%;建议选用Re<6 000范围内的混合配置,此时其具有1.03～1.10的综合换热因子以及1.32～1.35的Nu/Nu₀。     

熔盐横向冲刷过冷沸腾水传热特性实验研究

熔盐-汽水换热器性能直接影响塔式太阳能热电站的发电效率,以太阳盐为工质,实验研究了熔盐横掠冲刷管内过冷沸腾水传热特性,工况参数为：熔盐质量流速504～594 kg/(m²·s),熔盐温度350～560℃;管侧质量流速135～226 kg/(m²·s),入口温度260℃,热流密度65～465 k W/m²。研究影响熔盐换热器传热,特性的关键参数与次要参数,其中熔盐温度及水侧压力对传热特性影响较大。最后,将实验数据与文献中的关联式进行了对比分析。     

不同流程平行流换热器换热性能分析

采用3个不同流程布置的微通道换热器进行循环水冷散热实验,研究不同流程及风速布置下的微通道换热器的换热性能。换热器的水冷介质为乙二醇溶液,具有凝固点低、比热高的特点,能够满足不同地区室外环境温度需求。结果显示：不同流程布置对微通道换热器的换热量和压降有影响,随着流程数的增加,换热器的换热量和压降都随之增加,4流程换热器比1流程换热器换热量最多增加了11.1%,增长速率随着风速和流量的升高逐渐减小;而4流程换热器比1流程换热器的压降最多增大了150%,增长幅度随着流量的增加而增加。     

竖直矩形窄通道内流动沸腾局部换热特性实验研究

为了明确竖直矩形窄通道内各阶段流动沸腾的换热特性,优化换热器性能,以去离子水为工质,对尺寸为720 mm×250 mm×3.5 mm的单面电加热竖直矩形窄通道内的流动沸腾换热进行实验研究,分析了质流密度、进口温度、热流密度对流动沸腾局部换热特性的影响。并在已有流动沸腾传热关联式的基础上,对实验数据进行非线性回归分析,得到适用于实验工况下的新流动沸腾传热关联式。结果表明：质流密度增大对流动沸腾段换热特性有强化作用,对核态沸腾段换热特性有削弱作用;热流密度对核态沸腾影响剧烈,但对流动沸腾的影响不明显;入口温度越高,流体会越早进入过冷沸腾阶段,但对局部传热系数的影响不明显;新流动沸腾传热关联式与实验值的平均相对误差为23.87%,其中74.19%的预测值在±25%内,83.87%的预测值在±50%以内,能很好地预测本实验工况下矩形窄通道内流动沸腾的局部传热系数。     

换热工质参数对熔盐蒸汽发生系统性能的影响研究

蒸汽发生系统(steam generation system,SGS)是塔式太阳能热发电站的重要组成部分。采用仿真模拟软件Thermoflex对塔式太阳能热发电站的熔盐SGS进行了建模,并基于实际工程数据验证了所搭建模型的准确性。以此为基础,仿真研究了熔盐SGS的换热工质参数(给水温度、主蒸汽温度、主蒸汽压力)对熔盐SGS性能的影响,其中,水侧温度和压力的变化对熔盐侧参数(熔盐流量、熔盐SGS出口的熔盐温度)和换热设备的换热功率均存在较大影响。研究得到的不同换热工质参数对熔盐SGS性能和整个塔式太阳能热发电站的影响规律可为熔盐SGS的设计提供理论依据。     

水平螺旋管式换热器的流热耦合传热特性研究

针对轴封式核主泵的水平螺旋管换热器复杂的结构特点和特殊的运行环境,采用流热耦合的数值模拟方法分析壳侧流体的流量和温度改变对换热器的流场和温度场的影响,探究换热器壳侧进口参数对换热器内流体流动换热特性的影响规律,并采用相关传热准则数分析换热器强化传热性能。结果表明:水平螺旋管流体受曲率的影响产生离心力,形成了有别于直管流动换热的二次流,速度分布呈内凹的圆弧状,会增强换热器传热效率;随壳侧流速的增加,流体的扰动程度加强,湍流程度提高,同时压力损失无明显变化,换热器传热性能增强;在既定结构和尺寸下,由换热器的传热性能曲线可知,壳侧流量和雷诺数的增加对强化螺旋管传热有显著影响。实际工程应用中可采用适当提高换热器的壳侧流量的方法来加强传热。     

带有横向微沟槽的矩形通道内超临界液化天然气换热强化特性模拟研究

提出了一种用于超临界液化天然气换热的微小通道换热器整体性能提高的被动式强化技术并进行了数值模拟验证和设计优化.在普通的矩形微小通道内利用3D激光打印技术在壁面加工横向圆弧形微沟槽以强化换热能力.首先对圆弧形微沟槽的槽深、槽宽和相邻两槽道中心距等几何尺寸进行了优化计算,然后讨论了在使用强化技术后工质温度在跨越临界温度的1...     

纵向涡强化换热的优化设计及机理分析

对带纵向涡发生器的椭圆管翅片换热器空气侧表面的换热和流动特性进行了三维数值模拟.深入分析了纵向涡对流场和温度场的影响,并通过场协同原理揭示了纵向涡强化换热的根本机理,即减小了速度和温度梯度之间的夹角,改善了速度场和温度场的协同性.在此基础上,对纵向涡发生器的布置位置(上游布置和下游布置)和纵向涡发生器的攻角α(15°,30°,45°,60°)进行了优化设计.结果表明:当纵向涡发生器布置于换热管下游时,具有更好的强化换热能力;在纵向涡发生器采用下游布置的前提下,当纵向涡发生器的攻角α=30°时,具有最佳的强化换热能力.     

节流型微通道换热特性研究

为研究节流型微通道换热特性,设计并加工制作了突缩突扩结构的微通道实验件。采用控制变量法控制改变加热电压、质量流量、入口温度,通过实验数据对比分析研究了影响节流型微通道对流换热的规律。研究结果表明:随着质量流量的增加,微通道蒸发器的对流传热系数不断减小;随着雷诺数的增大努谢尔数不断增大,对流换热效果比较明显。     

基于正交试验的涡流发生器传热特性结构数值分析

为进一步提高管壳式换热器壳程换热效率,设计了一种布置于壳程肋片上的仿生鸟喙式涡流发生器。采用ANSYS FLUENT软件结合田口正交试验模拟了矩形通道中鸟喙式涡流发生器的传热特性,分析了纵向高度、斜截角度、迎流攻角、入口距离、流向间距5种结构参数对强化传热和综合热性能的贡献率及最佳结构组合。流动通道为长方体,其长、宽、高分别为1 600,240和40 mm,温度为286.86 K的空气流体从入口以1.491~3.195 m/s的速度流入,通道底部为337.048 K的恒温换热面。结果表明：纵向高度对于强化换热特性的贡献率最高,达到4744%,最强换热效果组合的换热因子较空矩形通道提高了185.71%;迎流攻角对于综合热性能的贡献率最高,达到了总占比的31.35%,利用正交试验分析得到的最强组合较空通道的综合热性能提高了47.82%     

ORC系统中板式蒸发器传热特性的研究

蒸发器作为余热回收有机朗肯循环(Organic Rankine Cycle,ORC)系统的关键部件之一,其传热性能影响着整个系统的传热效率。本文以新型全焊式板式换热器为模型,通过加载蒸发相变UDF进行数值模拟,得出不同的热水流量、热水进口温度、R245fa流量下的传热和流动特性,并通过计算不同工况下j因子和f因子定量评估了蒸发器的综合换热性能。计算结果表明:提高热水进口流量和R245fa流量对ORC系统蒸发器的传热性能有明显的改善作用;随着热水进口流量、热水进口温度以及R245fa入口流量的增加,热水侧压降和工质侧压降随之增大,热水侧压降整体大于工质侧压降,且热水侧j/f分别提高了71.6%,-18.1%,73.3%,工质侧j/f分别提高了29.7%,-13.5%,35.9%。     

sCO2太阳能热发电流化床固体颗粒/sCO2换热器建模与仿真研究

为了研究不同运行工况条件下的换热特性,利用分段集总参数法搭建流化床固体颗粒/sCO₂换热器的仿真数学模型,并对换热系统在不同输入变量扰动下的动态特性及对关键参数的敏感性进行分析和研究。结果表明：换热系统输入侧入口温度的扰动对换热器输出温度的影响幅度较大,而输入侧质量流量的扰动对输出温度的影响较小;小管径和低管数有利于获得较高的sCO₂侧换热系数;同时,在符合最小流化条件下,小粒径和较低的流化气体速度有利于颗粒侧传热系数的提高。