缠绕管式换热器壳程强化传热性能影响因素分析

由于内部流场信息缺乏,结构参数对流体流动的影响规律不明确,致使缠绕管式换热器壳程强化传热机理不明晰,阻碍其设计准则的进一步规范化和通用。针对上述问题,对缠绕管式换热器壳程流体流动进行几何建模及数值模拟,并通过文献中实验数据进行验证,进而基于该模型对壳程流体流场特性进行详细分析,分析关键结构参数对其壳程传热与阻力性能的影响,并探讨其强化传热机理。结果表明:Realizable k-ε湍流模型可较为准确地描述壳程流体流动;在双对数坐标系内,壳程Nusselt数随Reynolds数的增大而增大,阻力系数f则呈线性降低的趋势;壳程Nusselt数随缠绕管直径d与平均缠绕直径D的增大而增大,随螺距S的增大而减小,阻力系数f则相反;缠绕管直径d对壳程流体传热与阻力性能的影响最大,平均缠绕直径D的影响最小;增大缠绕管直径d与平均缠绕直径D有利于破坏流体速度边界层,增强流体扰动,加快温升速度,强化壳程传热,而增大螺距S则使速度边界层变厚,减小流动阻力的同时降低温升速度,不利于壳程强化传热。     

螺旋缠绕波节管传热与流动性能分析

以水为工质,对螺旋缠绕波节管湍流状态下传热与流阻性能进行数值计算,分析了其强化换热的机理,并分析了波节深度H与波节间距P对其传热与流动阻力的影响。结果表明:相同工况下,螺旋缠绕波节管的综合换热性能优于螺旋缠绕光管;流体在管内做螺旋运动,由于离心力的作用,在垂直流体主流方向上产生二次流;管横截面周期性的扩张与收缩,使流体在波节内产生沿流体主流方向上的回流,它们对流体边界层产生很强的破坏作用,使湍流程度增强,对换热有较好的强化作用;随着波节深度H的增大,Nu提高,f增大,综合传热性能逐渐提高;随着波节间距P的减小,Nu提高,f降低,综合传热性能逐渐提高。     

润滑油在内插同轴交叉翼型涡产生器管内流动与传热特性分析

以润滑油为工质,采用数值方法对圆管内插同轴交叉等腰梯形涡产生器的管内流动与传热进行了数值模拟,分析了不同结构参数如扭率（T_r=3,4,5,6）、间距比（S_s/W=0.8,0.9,1.1,1.2）和基带宽度比（W_b/W=0.30,0.45,0.60,0.75）对圆管内插同轴交叉等腰梯形涡产生器的管内流动与传热特性的影响。结果表明：在相同Re下,平均Nusselt数Nu_m、二次流强度Se、强化传热因子JF均随扭率和间距比的减小而增大,而其与基带宽度比的变化没有明显规律,阻力系数f随着扭率的减小和基带宽度比的增大而增大,间距比对f的影响甚微。在相同结构参数下,JF和Se均随Re的增大而增大。在Re=50~1000范围内,相比于光滑圆管,内插不同结构参数的同轴交叉涡产生器的Nu_m增加了32.8%~208.6%,f增加了3.38~8.92倍,JF最大可达1.434。Nu_m与Se呈幂函数相关,内插同轴交叉翼型涡产生器管内的二次流强度决定了其对流换热强度。     

高低双螺旋片强化套管换热器壳侧换热

采用实验和数值模拟相结合的方法,研究了高低双螺旋片对套管换热器壳侧的强化换热效果.以仅带有高螺旋片的换热器结构为基础,研究了曲率ε分别为0.44、0.321和0.131时,Reynolds数在4000~20000范围内,低、高螺旋片高度之比l/W对壳侧换热平均Nusselt数Nu_m和流动阻力系数f的影响,考察了等泵功条件下换热器的综合传热性能.对ε=0.44的换热器研究结果表明:当l/W>1/2时双螺旋片强化传热效果显著,且研究工况中l/W=3/4时最优,此时与单一高螺旋片相比,Nu_m值平均提高了10.8%;研究范围内,综合强化传热因子PEC数在1.044~1.204.对不同曲率换热器的研究结果表明,同一l/W值下,PEC数随着曲率ε值的增大而增大,说明双螺旋片结构更适合强化曲率较大的套管换热器壳侧换热.     

基于停留时间分布的缠绕管内二次流研究

缠绕管内二次流能够显著强化管内传质、传热性能。通过测量缠绕管内液体的停留时间分布,利用无量纲方差σ²表征二次流强度,研究了缠绕直径、缠绕角度、缠绕管管径等结构参数对二次流的影响。结果表明：在径向流动未达到极限迁移距离的缠绕管中,随着液体Reynolds数Re的增大,σ²先减小后增大,对应缠绕管内依次出现的湍流作用区和二次流作用区;在径向流动达到极限迁移距离的缠绕管中,随着Re的增大,σ²先减小后增大最后趋于平稳,对应缠绕管内依次出现的湍流作用区、二次流作用区和二次流极限区。从湍流作用区转变为二次流作用区的临界Reynolds数Re_S随缠绕管缠绕直径和管径的减小而减小,缠绕角度对Re_S的影响较小。     

水滴型缠绕管换热器壳程流动与传热研究

采用Solid Works建立了水滴型缠绕管式换热器的物理模型,利用Fluent流场模拟软件,考察了不同入口流速下的水滴型管与圆管换热器壳侧流动和传热性能。结果表明:与圆管换热器相比,水滴形管换热器由于换热管截面流线型结构的导流作用,流体在壳程内压力分布更均匀,壳程阻力较小,降低了缠绕管式换热器壳程的压降。水滴形管的阻力系数和压降较圆管大幅度减小,当入口流速为0.4m/s时,水滴形管的努塞尔数是圆管的94.2%,而其阻力系数只有圆管的75%,PEC指数提高了5%,研究工作可为新型换热器的开发与设计提供指导。     

内插不同形状涡产生器管内层流流动与传热特性的对比分析

内插扰流元件是一种可操作性强的管内强化传热方式，其强化传热机理主要是在管内诱导产生了二次流。在均匀壁温热边界条件下，对内插不同形状涡产生器管内层流流动与传热特性进行了数值分析。研究发现：在扭带基础上裁去部分面积相同的条件下，管内插等腰梯形涡产生器的换热能力最强，直角梯形涡产生器次之，矩形涡产生器的换热能力最差，管壁上的局部Nusselt数的峰值所在圆周位置及其大小与涡产生器形状有关，而不同形状的涡产生器对管内流动的阻力系数影响较小。插入涡产生器后，管内二次流强度参数Se和平均Nusselt数Nu均随Reynolds数Re的增大而增大，二者随Reynolds数Re的变化规律具有一致性。平均Nusselt数Nu与二次流强度参数Se呈幂函数相关，内插涡产生器管内的二次流强度决定了其对流换热强度。     

翅片管内嵌入螺旋线圈的强化传热分析

以注汽锅炉对流室的翅片管为研究对象,结合锅炉的实际工况对光管和嵌入螺旋线圈后管道传热和流动进行分析,结果表明翅片管内嵌入螺旋线圈后靠近管壁的流体呈现螺旋状旋转运动,嵌入螺旋线圈起到了强化传热的作用。接着分析螺旋线圈结构参数对强化传热的影响,选择四组螺距和直径形成16组不同的螺旋线圈结构参数并分别进行仿真;分析了螺旋线圈的螺距和直径对努塞尔数、阻力系数、场协同角余弦值和PEC值的影响。结果表明:当直径相同时,努塞尔数随着螺距的增大而减小,而在螺距相同时,努塞尔数随着直径的增大而增大。选择适合的直径和螺距可以有效提高PEC值。     

管壳式换热器壳程高黏度流体的传热强化

传统的管壳式高黏度流体换热器采用光滑管设计制造,其壳程传热及流动效能低,壳程传热阻力占总热阻的80％以上,且流动阻力损失较大,提高壳程流体的传热膜系数和降低流动阻力是提高高黏度流体换热器效能的技术关键．     

隔板高度对螺旋隔板套管换热器的影响

采用计算流体力学方法对螺旋隔板套管式换热器壳侧的传热和阻力特性进行模拟,建立了螺旋升角为40o、螺旋隔板高度分别为b, 3b/4, b/2, b/4和b/8 (b为螺距)的换热器模型,分析了螺旋隔板高度对壳程流体传热的影响. 结果表明,相同壳程工质体积流量下,换热器的壳程总换热量、换热系数和阻力系数随隔板高度增加而增加,单位长度压降随隔板高度增加而减小. 隔板高度为b, 3b/4和b/2时比隔板高度为b/8时的换热系数分别提高7.83, 3.68和3倍,壳程进出口压降分别减少98%, 97%和95%,但阻力系数却分别提高34, 15.3和5.3倍. 为提高螺旋隔板强化单管换热器的壳侧综合换热性能,其隔板高度应为1/2b~3/4b.     

非牛顿流体在波节套管换热器中流动与换热的实验研究

针对非牛顿流体在波节套管换热器管程的流动与换热进行了实验研究。重点研究了0.2%黄原胶溶液(XG)在不同波节套管换热器管程流动时的传热与阻力特性,并分析了强化传热机理。结果表明在相同工况下,随着管程黄原胶溶液Reynolds数Re_XG的增大,套管换热器总传热系数k和管程进出口压降Δp逐渐增大;波高H和波距S影响黄原胶溶液在套管换热器管程的流动与换热。随波高H增大,黄原胶溶液受波节处的涡旋效应的影响更明显,流体层间剪切力变大导致黄原胶溶液黏度变小,湍流程度更大,管程传热性能提高,压降也增大,但综合传热性能不断优化;随波距S增大,单位长度波节数量减少,对黄原胶溶液扰动影响降低,湍流程度降低,管程传热系数先增大后减小,流动阻力不断降低,综合传热性能先提高后减弱。当H=3.5 mm、S=30 mm时管程波节管的综合换热因子η_tube达到最大,η_tube是相同条件下圆管的5.11~6.69倍。     

非牛顿流体在波节套管换热器中流动与换热的实验研究

针对非牛顿流体在波节套管换热器管程的流动与换热进行了实验研究。重点研究了0.2%黄原胶溶液(XG)在不同波节套管换热器管程流动时的传热与阻力特性,并分析了强化传热机理。结果表明在相同工况下,随着管程黄原胶溶液Reynolds数Re_XG的增大,套管换热器总传热系数k和管程进出口压降Δp逐渐增大;波高H和波距S影响黄原胶溶液在套管换热器管程的流动与换热。随波高H增大,黄原胶溶液受波节处的涡旋效应的影响更明显,流体层间剪切力变大导致黄原胶溶液黏度变小,湍流程度更大,管程传热性能提高,压降也增大,但综合传热性能不断优化;随波距S增大,单位长度波节数量减少,对黄原胶溶液扰动影响降低,湍流程度降低,管程传热系数先增大后减小,流动阻力不断降低,综合传热性能先提高后减弱。当H=3.5 mm、S=30 mm时管程波节管的综合换热因子η_tube达到最大,η_tube是相同条件下圆管的5.11~6.69倍。     

螺旋套管换热器壳程流体湍流换热热力性能数值研究

利用计算流体力学软件对内管为螺纹管的螺旋套管换热器壳程流体的湍流流动和换热性能进行了数值模拟。通过与内管为光管的研究结果对比,揭示了内管为螺纹管时壳程流体的速度场和温度场分布,研究了雷诺数、槽高对壳程流体湍流流动及换热性能的影响,并利用场协同原理初步揭示了螺纹复合螺旋流动强化流体换热的机理。结果表明,螺纹内管的螺纹凸起对螺旋套管换热器壳程流体的扰流和导流作用明显,在研究范围内(Re=10 000~24 000),内管为螺纹管的螺旋套管换热器壳程流体的传热效率较内管为光管的模型最大提高了22.1%;结构参数相同时,随着Re增大,螺旋套管换热器壳程流体的Nu逐渐增大,阻力系数f逐渐减小,综合评价因子Ψ逐渐减小,在研究范围内,Nu最大增加了85.6,f最大减少了0.008,Ψ从1.35减小至1.18。当Re一定时,当量高度h'增大,f逐渐增大,Nu先增大后减小。由场协同原理分析得出,h'=0.220时,在螺纹凸起扰流和导流的作用下壳程流体的温度场与速度场协同性能较好,综合评价因子Ψ最大,螺纹的优化当量高度h'宜取约0.220。     

湿烟气工况下齿形螺旋翅片管束的性能研究

换热器烟气侧自身结构参数和外界条件是影响换热器换热及阻力特性的主要因素，采用数值模拟和实验方法研究了翅片螺距及烟气含水量对齿形螺旋翅片管束换热及阻力特性的影响。结果表明，在翅片螺距3.63～8.47 mm范围内，烟气侧 Nu随着翅片螺距的增大而增大，在不同入口烟温下，相对于3.63 mm翅片管，5.08 mm和8.47 mm翅片管 Nu分别增大3%~6%和9%~14%， Eu随着翅片螺距的增大而减小，相对于3.63 mm翅片管，5.08 mm和8.47 mm翅片管 Eu分别减小30%和50%左右；烟气含水量的适当增大，有利于提高齿形翅片管束的换热及阻力特性。     

新型纵流油冷却器壳程强化传热

提出一种新型扭曲三叶管纵流油冷却器强化传热方案,对其壳程的传热与压降特性与扭曲椭圆管油冷却器和传统折流板油冷却器进行了实验对比分析。结果显示,在相同油流量下,扭曲三叶管油冷却器壳程的传热系数、压降和传热系数比压降值（h/?p）分别比传统折流板油冷却器高138.7%~90.5%、19.6%~37.8%和77.2%~130.4%;分别比扭曲椭圆油冷却器高257.8%~298.6%、140.5%~158.4%和40.1%~65.7%,表明扭曲三叶管油冷却器具有很好的强化传热效果。并对其强化传热机理进行了分析,在壳程雷诺数（Re）为80~550的范围内,拟合获得了扭曲三叶管和扭曲椭圆管两种纵流油冷却器壳程努塞尔数（Nu）和摩擦因子（f）关联式。     

扭曲三叶管传热与流阻性能的数值研究

扭曲管换热器是一种新型高效换热器。在扭曲管强化传热机理研究的基础上,提出了一种新的扭曲管管型--三叶管。验证了标准k-ω湍流模型在圆管及扭曲椭圆管计算中的精确度,并采用该湍流模型对扭曲三叶管Re在4000～20000范围内的传热和流阻性能进行了研究。计算结果表明,扭曲三叶管的Nusselt数比扭曲椭圆管大,虽然压差增大较多但综合传热性能比扭曲椭圆管高。这是由于扭曲三叶管特殊的三叶区结构以及过渡区曲率的变化,使得三叶管内的螺旋流动比椭圆管更为复杂,速度场与温度梯度场的协同程度更好。随着Reynolds数的增大扭曲三叶管的压差及Nusselt数都逐渐增大,但综合性能逐渐降低,在低Reynolds数下扭曲三叶管的强化传热效果较为明显。内切圆直径及过渡圆弧直径越小,扭曲三叶管的综合性能越好,其中内切圆直径的影响更为显著。     

矩形自支撑缩放管换热器强化传热的结构优化

在新型换热器--矩形自支撑缩放管换热器的基础上,通过FLUENT软件利用三维数值模拟的方法分别研究在缩放段长度比例保持不变的情况下,缩放节距及缩放肋高对换热器管程、壳程及整体综合传热性能的影响,并得出缩放管的优化尺寸。研究表明:对于换热器管程和壳程,缩放节距l越小,换热效果越好,阻力也越大,壳程在l=16.5 mm 时综合传热性能达到最佳,而管程则在l=9 mm时综合传热性能最好;缩放肋高h越大,二者的换热效果越好,阻力也由于管子的粗糙程度增加而变大,此时综合传热性能管程在h=1.25 mm时最好,壳程则在h=0.5 mm时最好。引起这些变化的原因主要是由于随缩放节距与缩放肋高的增加,管程和壳程通道内的回流区不断增加,在回流区的增加造成阻力增加的同时,也改善了速度场与温度场的协同性,从而使二者的传热性能增强。最后将管程和壳程作为一个串联的整体进行综合考虑,得到整个换热器的综合传热性能在l=15 mm,h=0.75 mm时达到最佳,综合因子η=1.136~1.155(壳侧Re=27900~41900)。     

Experimental investigation of heat transfer in shell- and- tube heat exchangers without baffles

The influences of geometrical parameters on the shell side heat transfer in shell-and-tube heat exchangers are investigated by experiments using 32 different test heat exchangers. The test heat exchangers differ by number of tubes, length, shell and tube diameter, nozzle diameter and tube pitch. From the experimental results it can be confirmed that the influence of the tube pitch is small enough to be neglected in shell-and-tube heat exchangers used in real processes. The heat transfer rate of the longitudinal flow can be calculated from the correlation for turbulent flow in concentric annular ducts by inserting the porosity instead of the ratio of tube to shell diameter. The influence of the cross flow in the nozzle region increases with decreasing length of the heat exchangers. The heat transfer coefficients in the nozzle region are determined by comparing the overall heat transfer coefficients of the heat exchangers with that calculated from the correlation for the longitudinal flow. The results show that the heat transfer coefficient in the nozzle region is 40 % greater than that in the parallel region, if the length of the apparatuses is about 30 times the hydraulic diameter. A new correlation suitable for predicting the heat transfer coefficient is presented, which consists of a superposition of the Nusselt number for the flow in the nozzle region and that for the longitudinal flow.