圆孔状折流板换热器壳程流体流动与传热特性的数值研究

传统弓形折流板换热器壳程流体横向冲刷换热管时存在振动大、压力损失大和易结垢的缺点,为了克服上述缺点,本研究在弓形折流板的基础上有规律的开圆孔,并对其运用CFD软件Fluent进行数值模拟,研究其壳程流体流动与传热特性。本文通过数值模拟得出:折流板上开圆孔后,壳程流体流速更加均匀,有效地消除了流动"死区",换热器平均压力损失降低了46.7%~150%,平均努赛尔数提高了2.7%~10.2%,速度矢量与温度梯度的夹角变小,协同性更好。     

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.     

椭圆管换热器壳程传热与压降性能对比研究

以椭圆管换热器、光滑圆管的弓形折流板和螺旋折流板换热器为研究对象,进行壳程侧传热和流体阻力实验,通过对比发现:椭圆管换热器壳程的传热系数较低,但其壳程进出口的压降也低于另外两种换热器,在壳程进口体积流量相同的条件下,其传热与流体阻力综合性能指标α/Δp远高于圆管弓形折流板换热器和螺旋折流板换热器。     

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%。     

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。     

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。     

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.     

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。     

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(火积)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(火积)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(火积)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。     

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。     

帘式折流片换热器壳程流体流动死区

对帘式折流片换热器壳程流体流动死区大小及分布规律进行了数值模拟和实验研究。研究表明,帘式折流片换热器壳程流体流动死区大小随着Re的增加而降低;流动死区的大小和分布规律受折流栅装配方式的影响,折流栅同向装配时壳程死区小于折流栅对称装配,当壳程Re分别为5000、10000和15000时,折流栅同向装配时的帘式折流片换热器壳程死区分别为折流栅对称装配时的50.5%、51.6%、43.0%。     

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。     

花格板换热器的流动与传热

花格板换热器作为一种新型的管壳式换热器,其流动和传热机理研究目前尚未有较深入的研究。通过CFD技术,对花格板换热器的流动和传热性能进行了研究,并将结果与传统的弓形折流板换热器进行了比较,结果表明,在相同的Reynolds数下,花格板换热器的压降仅为折流板换热器的0.45倍左右,而两者的传热系数相差不大,因而花格板换热器的综合性能参数约为折流板换热器的2.2倍左右。     

板间距对花板换热器综合性能影响的实验研究

介绍了花板管壳式换热器的结构及设计思想。通过实验研究表明,在相同壳程流量下,板间距为134mm时,换热器的传热系数K是板间距为163mm、147mm、123mm时的102%～110%;壳程压降Δp则约为板间距为163mm、147mm、123mm时的97%～105%;而综合性能K/Δp比板间距为163mm、147mm、123mm时高3%～9%,本实验认为最佳板间距存在于134mm～147mm之间。     

新型板壳式换热器壳程流动与换热的数值模拟

提出一种新型的板壳式换热器,建立2种不同板束截面形式的换热器模型,利用FLUENT软件对壳程流体的流动和换热进行数值模拟,从多个方面对板壳式换热器壳程湍流流动与强化传热进行了探讨。模拟结果表明,由于换热板片特殊的蜂窝结构,靠近板片壁面的流体产生了明显的周期性波浪式流动,这种流动加剧了流体的湍流强度及边界层的扰动,起到了壳程强化传热的效果。对于2种不同截面形式的换热器,圆形截面形式的换热器壳程空间利用率较高,流体流动充分,热交换效果更好,在同流量下,其壳程对流换热系数比方形截面形式的高35%—40%,压降高17%—19%,单位压降下的壳程对流换热系数高15%—19%。该数值模拟结果对板壳式换热器的研究具有一定的理论意义和工程实用价值。     

杆支撑换热器壳程的单元流道模型及流场分布

提出了一种杆支撑换热器壳程的代表性“单元流道”模型,使结构复杂的管壳式换热器数值模拟更加简便而高效,数值分析得到了杆支撑换热器壳程中心区域的单元流道流场、压力场和温度场分布细节信息,为杆支撑换热器的结构完善和研究强化传热机理奠定了理论基础。     

异形仿生换热器壳侧对流换热的高效低阻特性研究

开发高效低阻换热器是提升系统能量转化效率的重要途径,对于船舶航运工业和海上石油平台等海洋工程以及石油钻井平台等领域具有重要的意义。受鲨鱼鳃裂结构启发,设计了一种适用于受限空间内的异形仿生换热器,大幅释放空间,并提高了换热器的集成性。通过在换热器壳程添加四种不同形式的折流板,并在进口端引入“间隙流”,模拟分析了换热器壳侧流场、压力场和温度场的分布规律,并对比了不同Reynolds数下换热器的性能差异。结果表明,阶梯式隔板换热器可达到低阻特性,流速为0.5 m/s时,壳程压降相比于弓形折流板换热器和交错类折流板换热器分别下降了约82%和65%;当Reynolds数在15000~35000之间（流速约为0.63~1.46 m/s）时,进口间隙交错折流板换热器的高效低阻特性优势明显,比弓形折流板换热器提升了约12%;当Reynolds数大于35000即流速高于1.46 m/s时,阶梯式隔板换热器的综合性能比弓形折流板换热器高出约5%,可适用于对壳程压降要求更高的应用环境。给出了不同工况下的换热器综合性能评价图,为实际应用和设计分析提供指导。     

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。