基于正交试验的扭转流换热器壳程结构优化

建立扭转流管壳式换热器周期性全截面数值计算模型,采用对比实验验证了数值模拟方法及其结果的可靠性。影响扭转流换热器壳程流体换热和流阻性能的主要因素有相邻两组类梯形导流板间距、导流板宽度、导流板倾斜角度以及每组导流板的数量。设计正交试验,综合研究各参数对扭转流换热器壳程流体传热系数、压降及综合性能的影响,并对影响显著的结构参数进行了优化。结果表明,在研究参数范围内,影响扭转流换热器壳程流体综合性能的主次顺序为：相邻两组导流板间距>每组导流板数量>导流板倾斜角度>导流板宽度。综合性能最优的结构参数组合是相邻两组导流板间距为100mm、每组导流板个数为2、导流板倾斜角度为52.5°、导流板宽度为100mm,综合性能最高为114.9。研究结果为管壳式换热器壳程结构参数进行多目标优化提供了一种新方法,具有一定的指导意义。     

一种双扭转流换热器壳程传热性能与机理分析

双扭转流换热器是一种新型管壳式换热器,分别建立扭转流换热器和新型双扭转流换热器的周期全截面计算模型,利用计算流体力学（CFD）方法对壳体侧的传热系数、流动阻力和综合性能进行了数值研究。结果表明：在壳程同等质量流量下,双扭转流换热器传热系数与类梯形折流板换热器相比降低24.4%~27.9%,压降降低63.3%~71.0%,综合性能增加1.2%~4.1%。通过场协同原理对其传热和降阻机理进行了分析,表明双扭转流换热器速度与压力梯度协同较好,扭转流换热器速度与温度梯度协同性较好。对扭转流换热器进行冷模实验,采用激光多普勒测速仪（LDV）对线上速度进行测量,验证了仿真方法和结果的正确性和准确性。研究模型与结论可为换热器的结构开发与性能研究提供参考。     

扭转流换热器结构参数对流场和温度场的影响

建立扭转流换热器和弓形折流板换热器两种周期性全截面模型,采用计算流体力学方法对两种换热器的传热系数、阻力、综合性能进行了数值研究。分析了扭转流换热器管束支撑物类梯形导流板结构参数对换热器传热和流阻性能的影响。结果表明：导流板倾角和相邻两组导流板间距对扭转流换热器传热性能的影响显著,导流板宽度的影响次之,每组导流板的数量的影响较小。扭转流换热器优化结构,压降较弓形折流板换热器降低42.5%~46.9%,综合性能提高7.2%~14.1%。研究结果为管壳式换热器结构优化和强化传热提供了新方案。     

扭转流换热器结构参数对流场和温度场的影响

建立扭转流换热器和弓形折流板换热器两种周期性全截面模型,采用计算流体力学方法对两种换热器的传热系数、阻力、综合性能进行了数值研究。分析了扭转流换热器管束支撑物类梯形导流板结构参数对换热器传热和流阻性能的影响。结果表明:导流板倾角和相邻两组导流板间距对扭转流换热器传热性能的影响显著,导流板宽度的影响次之,每组导流板的数量的影响较小。扭转流换热器优化结构,压降较弓形折流板换热器降低42.5%~46.9%,综合性能提高7.2%~14.1%。研究结果为管壳式换热器结构优化和强化传热提供了新方案。     

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。     

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.     

三维针翅片管在螺旋板换热器应用传热强化研究

将光滑管外表面进行滚压—犁切复合加工,形成了三维A型针翅片管,应用于连续形的螺旋导流板换热器中,流体在连续形螺旋导流板换热器的壳程中类似于塞状流流动,几乎没有返混和流动死区。在相同压降下,其传热系数比普通的弓形折流板换热器高得多。文章以润滑油作为实验介质,研究了润滑油在螺旋导流板三维A型针翅片管换热器的壳程传热和压降性能,并与光滑管螺旋导流板换热器进行了性能对比。实验结果表明,在相同Reynolds数下,螺旋导流板三维A型针翅片管换热器的Nusselt数和压降△p分别是光滑管螺旋导流板换热器的2.4～2.8倍和1.2～1.4倍。与光滑管螺旋导流板换热器相比,螺旋导流板三维A型针翅片管换热器的传热性能的提高远高于压降的提高,证明在螺旋流条件下,三维A型针翅片管具有很好的传热强化性能。     

倾斜折流栅式换热器壳程流体流动与传热特性

针对斜向流换热器壳程流体流动的特点,提出一种倾斜折流栅式换热器。采用CFD软件Fluent对常规斜向流换热器和倾斜折流栅式换热器进行数值研究,分析了折流栅的装配方式和倾斜角度对倾斜折流栅式换热器壳侧流体流动和传热性能的影响。结果表明:与常规斜向流换热器相比,栅片同向装配时,倾斜折流栅式换热器壳程传热系数和综合性能分别增加6.18%~6.47%和3.22%~3.59%;栅片同向装配,折流栅倾斜角为70°时,换热器壳程传热系数和综合性能均达到最大,且壳程压降较小。与倾斜角为60°的倾斜折流栅式换热器相比,倾斜角为70°的倾斜折流栅式换热器壳程传热系数和综合性能分别增加2.84%~2.93%和7.07%~7.19%,且壳程压降降低11.26%~11.52%。所得结论为改进斜向流换热器折流栅的结构和强化传热提供理论与工程应用依据。     

一种新型的螺旋折流板换热器

非连续螺旋折流板换热器壳程存在三角漏流区,造成部分流体短路而影响换热器性能,针对该问题本文提出了一种可以避免流体短路的新型螺旋折流板结构,使壳程流体近似连续螺旋状流动,强化传热过程。采用CFD技术对其壳程进行了数值模拟,并将其与单螺旋结构的换热器进行了对比。模拟结果表明:新螺旋结构的壳程传热系数高于单螺旋结构,同时其壳程压降也有所增大;随着螺旋角的增加(30°),新螺旋结构对应的单位压降下的传热系数(即综合性能)逐渐高于单螺旋结构对应的单位压降下的传热系数,说明新螺旋结构不仅可以提高换热器壳程的传热性能,在大螺旋角度下还可以提高换热器的综合性能。同时,新型螺旋折流板结构对流体的导流作用增强,流体的分布更加均匀。     

连续螺旋折流板换热器壳程流动与传热数值模拟

建立了连续螺旋折流板换热器三维模型并划分网格,采用分离式求解器、SIMPLE压力速度耦合方式与Realizable k-ε湍流模型,利用FLUENT软件对连续螺旋折流板换热器壳程流体流动与传热进行了模拟计算,得到壳程流体速度、压力与温度分布图,并与传统弓形折流板换热器作比较。螺旋折流板节距与弓形折流板间距相等时,螺旋折流板换热器壳程传热系数增加了25%左右,而压力降减小了18%左右。通过对不同螺旋角度的螺旋折流板换热器进行模拟分析,发现随螺旋角增大壳程传热系数和压力降都呈减小趋势,且壳程流体进口平均速度越大,作用越明显,故在实际工程中,盲目追求高的传热系数或低的压降都是不可取的。本数值模拟可为螺旋折流板换热器进一步的工程研究提供可靠的理论参考依据。     

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。     

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%。     

螺旋折流板换热器三角区漏流阻塞的实验研究

目前普遍使用的螺旋折流板换热器壳程的一个螺距主要采用4块平面折流板结构,但在相邻两块折流板的直边搭接处存在顶角相对的两个三角漏流区,使壳程流体偏离理想的螺旋流,严重影响了换热器的性能。采用折面折流板结构,可以封闭原始折流板之间的外侧三角漏流区,使壳程流体更接近连续的螺旋流动。实验结果表明,采用折面折流板代替原始的平面折流板后,换热器总传热系数增加6.7%～19.1%,平均增大16.9%,表明此折面折流板能有效提高螺旋折流板换热器的换热性能。虽然壳程压降也随之增大,但带来的泵耗功率增量非常有限。换热器的热性能因子均大于1.0,平均值为1.071,表明结构改进后的换热器,其综合性能平均提高7.1%。基于实验数据,拟合了结构改进前后的换热器壳程传热系数和阻力系数的相关实验关联式。研究结果对于换热器的节能优化具有重要的指导意义。     

花板换热器与单弓形折流板换热器对比实验研究

折流板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,折流杆换热器用作冷油器时壳程Re偏低,为了克服上述缺陷,研制出一种新型的花板换热器。花板换热器中壳程流体的流动方式与单弓形折流板换热器不同,壳程流体纵向冲刷换热管,具有壳程阻力较小、换热器内管子振动噪声小等特点。本文通过对花板与单弓形折流板换热器的换热和流阻性能的实验比较,得到在相同的雷诺数下,花板换热器的壳程压降仅为单弓形折流板换热器的70%—80%,以单弓形折流板换热器为参照时的花板换热器综合效益比为110%—140%。     

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。     

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。     

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%。