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。     

排气管直径与深度对水力喷射空气旋流器传质性能的影响

对水力喷射空气旋流器(WSA)的中心排气管直径D_e和排气管插入深度S进行了设计优化研究,实验考察了不同D_e和S对WSA脱氨传质系数K_La和气相压降的影响,提出了综合评价传质过程效率的概念——单位压降传质效率η_p,讨论了D_e和S的设计取值。研究表明,当D_e增大时,K_La和气相压降均随之降低,较小D_e的WSA具有较高的气液传质性能,但气相压降比较大,而K_La和气相压降均随S增大而增大。综合能效关系表明,随着D_e的增大η_p增大,随着S的增大η_p出现先增大后降低的趋势,WSA设计中D_e与WSA直径D之比D_e/D宜为0.42～0.53,S与WSA筒体长度H之比S/H适宜取值约为0.70。     

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。     

泡状管换热器强化传热与整体性能的数值模拟

针对泡状管管壳式换热器,采用FLUENT软件对其进行管程和壳程耦合传热的整体数值模拟,并将模拟结果与具有相同形式相同换热面积的光滑圆管换热器对比。通过结果对比分析泡状管强化传热的效果、压降及总传热系数的差异;评价泡状管壳式换热器的传热性能。结果表明:相比圆管,泡状管表面形状的变化对管壳两侧均起到强化传热的作用,同时管程流动阻力增大,但壳程阻力有所降低。总体传热系数较圆管有较大幅度提高。综合考虑总传热系数和压降,泡状管对壳程传热性能提升明显。     

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.     

螺旋隔板套管换热器壳程传热与压降的数值模拟

以水-润滑油换热为对象,对螺旋隔板套管换热器的壳程传热与压降性能进行了实验研究与数值模拟。通过威尔逊图解法获得了管程的传热系数,并计算出了壳程的努塞尔特准数。采用Fluent软件模拟了润滑油在螺旋隔板套管换热器壳程层流流动时的流场、温度场以及传热与压降性能。结果表明,流体在螺旋隔板换热器的壳程流动均匀,在隔板附近没有返混和流动死区,但温度梯度最大。在相同雷诺常数下,壳程的努塞尔特准数和压降模拟值分别比实验值高1.3%～8%和4%～38.1%,模拟值与实验值吻合较好。     

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。     

高效复合强化换热器的管程性能

通过搭建内螺纹扭曲椭圆管复合强化管换热器传热与压降性能测试平台,对内螺纹扭曲椭圆管复合强化管换热器的管程传热和流阻性能进行了实验研究,以实验数据为基础拟合得到其对流传热系数和流动摩擦阻力系数与管内流体Reynolds数的计算准则关系式,将内螺纹扭曲椭圆管与光滑圆管、内螺纹圆管、光滑扭曲管的管程传热、流阻以及综合性能进行对比分析,结果显示内螺纹扭曲管流动阻力略高于其他类型的换热管,传热效果和综合性能明显优于其他类型换热管。内螺纹扭曲管作为一种内螺纹和扭曲扁管强化传热技术的叠加技术,强化传热效果明显,具有重要的工程应用价值。     

LTNE条件下界面对流传热系数对部分填充多孔介质通道传热特性的影响

在多孔介质区考虑局部非热平衡,采用Brinkman-extended Darcy模型结合应力跳跃条件对部分填充多孔介质通道内流体传热特性进行分析。获得了各区域温度分布及Nusselt数解析解,并分析了各参数对温度及Nusselt数的影响。结果表明：界面对流传热系数H_s较小时,界面应力跳跃系数β和Darcy数Da的增加会减小流固两相间温差。而在高H_s下,Da减小也会减小两相温差。在Da、H_s和固流两相热导率之比K较大且空心率S（自由流体区高度与通道高度之比）和Biot数Bi较小时,流固两相间会在接近多孔介质区中部出现最大温差,而该最大温差会随着S增加和Da及H_s的减小向界面区移动。对于不同K与Bi,Nusselt数Nu与S的关系曲线存在不同的类型,与模型A（界面处多孔介质固相和流相根据各自温度梯度和热导率划分总热流）不同的是,采用模型C（界面处固相热流分配与自由流体区流相的热交换相关）所获得的Nu曲线类型与H_s有关。在K较小时,β对Nu的影响大于H_s对Nu的影响;而在K较大时,H_s对Nu的影响要远大于β对Nu的影响,且H_s增加会明显提高通道内的Nu。     

新型波纹扁管气-气换热器壳程传热实验研究与数值模拟

针对气-气换热的特点,开发出了一种新型的波纹扁管换热器。构建了热空气与冷空气换热的实验系统,热空气在管程流动,冷空气在壳程流动,实验研究了波纹扁管气-气换热器的传热性能,并采用Fluent 6.3软件对壳程空气的传热与压降进行了数值模拟。结果表明,当管程空气流速为20 m?s-1,壳程空气流速在15~25 m?s-1,换热器的总传热系数为81~88 W?m-2?K-1。壳程传热系数和壳程压降的数值模拟结果与实验值吻合良好。波纹扁管换热器具有高效紧凑的优点,适用于气-气换热领域。     

管束结构对开缝翅片椭圆管换热器性能的影响

在模化试验验证的基础上,对不同横向管间距S₁、纵向管间距S₂和椭圆管长短轴比a/b的开缝翅片椭圆管换热器进行了数值模拟,分析了管束结构的差异对开缝翅片椭圆管换热器性能的影响。结果表明：横向管间距在60.55～70.55 mm范围内,空气侧Nu和Eu均随S₁减小而增大,S₁为60.55 mm时换热器综合流动传热性能最好;纵向管间距在65～75 mm范围内,空气侧Nu随S₂减小而增大,Eu变化不明显,S₂为65 mm时换热器综合流动传热性能最好;横向管间距对开缝翅片椭圆管换热器传热、流动性能的影响较纵向管间距更为明显;在等周长条件下,椭圆管长短轴比a/b在1.5～2.5范围内,a/b为1.8时换热器综合流动传热性能最好。研究成果可为此类换热器在工程实际中的应用与进一步优化提供依据。     

波纹管传热强化效果与机理研究

通过有限元数值计算考察了波纹管内的流动与传热性能,研究了不同的流体入口雷诺数Re及结构参数对管内平均传热系数的影响,探讨了其强化传热机理。研究发现,在常见的湍流范围内,波纹管内平均传热系数是相同条件下直管的1.06—3.0倍,最佳强化效果出现在Re=16 000附近;波峰处回流区的存在对波纹管的传热强化起到了决定性的作用。此外还拟合出了波纹管内的传热准则方程,有助于指导波纹管换热器的工程设计。     

波纹管强化管内沸腾传热的试验研究

分别以煤油和水为工质,对不同流速情况下波纹管和光管的管内流动沸腾传热特性进行了试验研究。试验中采用套管式换热器,依靠管外的高温热水对管内工质加热使之沸腾。在不同流速下,根据试验测量的流量和温度等参数计算管内流动沸腾传热系数。结果表明:随着气相雷诺数的提高,传热系数随之提高;相对光管,波纹管对上升流动管内沸腾传热有明显的强化作用。根据试验结果给出了波纹管管内流动沸腾传热系数关联式。     

半周加热横纹管内熔盐强化传热特性

半周加热太阳能吸热器管给管内对流传热系数带来影响,基于此,建立半周加热横纹管内熔盐对流传热的实验台和数值计算模型,分析横纹管槽宽、槽深对管内熔盐传热性能的影响规律,结果表明：从横纹管绝热侧到加热侧,周向管内壁温度逐渐升高,周向管内局部Nusselt数先减小后缓慢增大至稳定。横纹管凹槽处轴向管内壁温度明显低于平滑段,凹槽处轴向管内局部Nu较大,凹槽后与平滑段交界处管内局部Nu最小。横纹管槽越宽,加热侧轴向管内局部Nu越小,管内平均Nu越小,传热综合性能评价因子PEC越大。横纹管槽越深,轴向管内局部Nu越大,管内平均Nu越大,传热强化倍数Nu/Nu _ST越大。槽宽对横纹管PEC的影响比槽深明显,槽深对横纹管内Nu/Nu _ST影响比槽宽大。通过线性拟合得到半周加热横纹管内熔盐传热Nu的关联式,其计算Nu与模拟值最大偏差在±7%以内。     

波纹管管外冷凝特性的研究

以煤油蒸汽和水蒸气为工质研究了波纹管管外冷凝时的传热特性。试验中采用内管为波纹单管的套管换热器,分为水平和垂直2种布置方式。在不同流速下,根据试验测量的温度和流量等参数计算波纹管管外传热系数;并与相同参数(流速、温度)条件下光管管外传热系数的理论计算值进行比较。结果表明:随液相雷诺数的提高,传热系数随之提高,相对光管,波纹管管外传热系数有明显提高;波纹管有效地增强了管外冷凝传热;水作为单一工质相对于多组分的煤油,波纹管对其管外冷凝强化效果更好。     

螺旋扭曲管用于燃气轮机进气温度调节换热器的可行性研究

对将螺旋扭曲管用于燃机进气温度调节换热器进行可行性分析，模拟燃机进气加热器实际运行的工况条件进行综合传热性能实验研究，得到了传热与流阻准则关系式；引入综合评价因子概念并与传统钢铝翅片管换热器进行对比发现，螺旋扭曲管换热器是钢铝翅片管换热器的1.31~1.52倍。以某建设项目采用的E级PG9171E型机组为例，对采用螺旋扭曲管和钢铝翅片管的两种进气温度调节换热器进行对比发现：当采用螺旋扭曲管换热器时，在同样换热能力下，换热器风侧阻力增大了14.7%；在同等质量下，换热器换热能力提高9.9%左右。