螺旋缠绕管式换热器传热性能优化与计算程序开发

螺旋缠绕管式换热器作为新型换热设备,与传统换热器相比,更为紧凑的管排列方式,增大了设备单位体积内的传热面积,且流体流动过程更易多流股化,从而提升传热综合效率;对设备的传热特性进行研究并与计算机技术相结合实现性能优化与计算方法改善,对于实际设备设计生产与使用具有重要意义;通过计算流体力学（CFD）方式,对螺旋缠绕管式换热器进行简化计算模型结构工作并开展数值模拟,研究不同管排列方式,相邻管层间距,壳程流速,换热管使用材料在设备换热性能方面的影响情况,得到设备优化结构,实现设备性能提升;选定管内径,管缠绕圈数,壳程流速以及管缠绕半径四个因素及其相对应水平参数开展正交试验,并分析单因素对于绕管式换热器综合传热性能PEC的影响情况及各因素的主次程度;运用Visual Basic语言进行计算程序开发,通过对流体物性参数,管内径,管缠绕圈数,管程数等进行输入并自动计算,实现压降,传热系数,综合性能指数等结果的可视化,提高后期设计工艺计算精度。     

CAE在强化传热节能减排中的应用

为解决管壳式换热器传热效率低下的问题,以最典型的列管式换热器为研究对象,建立换热管内置转子组合式强化传热装置的三维模型,模拟换热管内流场、温度场、压力场以及换热过程,得到管内流体的流动规律和传热性能的计算结果. 模拟计算结果显示,内置转子组合式强化传热装置的换热管内尤其是近壁区域有较强的湍流度;转子与管壁之间缝隙内的流体有明显的螺旋环绕流动,可显著提高传热系数,并具有自清洁作用. 研究表明,利用CAE手段解决热交换过程的瓶颈问题,可大幅度提高能源利用效率,为实现节能减排的战略目标作出贡献.     

大型螺旋波纹管内流动与传热的数值模拟研究

利用流体仿真软件FLUENT对不同结构参数的某大型螺旋波纹管管内烟气的流动和传热进行了三维稳态数值模拟,比较和分析了螺旋波纹管和光滑管的换热性能,并通过控制变量法研究了螺纹高度、螺纹宽度和螺距等结构参数对螺旋波纹管综合换热性能的影响。研究表明,随着螺纹高度和螺距的增大,螺纹宽度的减小,螺旋波纹管的综合换热性能获得相应的提高。本文还依据模拟的结果,通过回归分析拟合出了努赛尔数、摩擦因数以及综合换热效率的相应关联式,并且通过优化给出了换热管综合换热效率最高时的结构参数,为螺旋波纹管的工业应用提供了理论支持和技术储备。     

内置转子换热管强化传热数值模拟

为分析内置转子换热管的传热效果,建立光管和内置转子换热管的三维模型,对换热管内流场、温度场、压力场以及传热过程进行模拟,得到管内流体的阻力特性和传热特性.模拟结果表明:内置转子换热管内的三维流动比较复杂,转子与管壁之间缝隙内的流体有明显的环绕流动,切向速度和径向速度也增大到一定范围;相同雷诺数条件下,内置转子换热管压降...     

换热器详细设计与换热网络综合同步优化方法研究

回顾了多管程换热器构成的换热网络的最优综合方法与换热器详细设计的研究进展。研究者们采用多种不同算法对换热器进行详细设计,这些算法解决了对于单台换热器在给定热负荷的情况下,以总费用最小为目标的优化设计问题。但这些方法都是对单个换热器进行优化计算,并未考虑到换热器详细设计结果对换热网络节能降耗的影响。换热器详细设计结果将影响换热网络的能量交换与经济性。有研究者基于换热网络最优综合对换热器进行详细设计,同步优化换热网络和单台换热器的设计,但这些方法不涉及换热网络中各个换热器的详细设计与传热系数、换热压降等因素的相互影响,难以保证换热网络总费用最小。在此基础上,提出一种多程换热网络综合与换热器详细设计的同步优化设计方法。本文以换热面积、传热系数为优化变量,压降为约束条件,兼顾每台换热器详细设计,总费用最小为目标进行最优综合。示例分析证明了本文方法的有效性。     

微通道换热器的数值模拟和结构优化

为提高微通道换热器的换热效率,利用COMSOL耦合求解流动和传热方程,对微通道换热器换热特征进行数值模拟.通过分析微通道换热器的温度、微通道的入口与出口的压差以及微通道换热器的总热阻等参数,对其换热性能进行评估.优化微换热器的几何结构可以有效提高换热性能.数值模拟结果表明：当微通道的高宽比为0.8、微通道与间隔的宽度比为0.6、微通道数为71时热阻最小,换热性能最佳.     

管壳式换热器的简捷设计与HTRI设计对比及分析

管壳式换热器因结构简单,操作方便,材料多样化且适于高温高压的环境所以在化工行业中被普遍使用。本文分别使用HTRI软件和简捷设计2种方法对以甲醇蒸汽冷凝器为例的管壳式换热器进行设计,结果表明简捷设计比HTRI设计的传热面积大14.7%。而通过对HTRI模拟的温度分布图、流型分布图、传热系数分布图进行传热分析可知,简捷设计这类在设计过程中采取平均温度进行物性计算的传统方法与实际工业情况的偏差较大。为了更好地将理论计算与工业实际应用有效地结合,提高管壳式换热器的设计精度,可以通过对温度分布进行分段设计、改进流型分布、改良传热关联式等手段优化传统设计方法。     

户用太阳能辅助加热沼气池动态传热仿真

针对态变温差条件下螺旋管换热器传热系数计算复杂,而螺旋管换热器传热系数是户用太阳能辅助加热沼气池系统设计中的重要参数.为确定沼气池内加热盘管的传热系数及合理的搅拌叶轮旋转速度,采用全三维Navier-Stokes方程和多重参考系法(MRF),根据标准k-ε湍流模型及相应的计算网络及边界条件,对沼气池内传热及流动进行三维非定常数值仿真,分析系统的传热系数,随着旋转叶轮转速提高,螺旋加热盘管传热系数也随之增加,但旋转叶轮所需电机功率也将随之增大.通过数值仿真,可以大大缩短系统的研制和改进设计周期,结果与现场实测传热系数有较好的吻合.证明提高了沼气池内螺旋盘管的加热效果,并为系统设计提供参考依据.     

人字形波纹板式换热器性能数值模拟的研究

基于简化模型的计算结果难以准确描述换热器内完整的流体流动和换热特性.为此,本文建立与人字形波纹板片完全相同的,含分配区和传热区冷热双流道换热的计算模型,用计算流体力学软件Fluent 6.3,数值模拟4组不同名义速度下流体的流动和换热情况.分析流道内速度场和温度场发现,进口分配区对流体流动分布和换热都有显著影响,还将流体在流道内的流动情况详细描述.两侧流体的压降和进出口温差的计算值与实验值的误差小于6%,较准确地反映了换热器内整体的流动和换热特性,可直接用于研究板式换热器的性能,具有一定的工程实际意义.     

宽通道换热板片结构的多目标头脑风暴优化设计

换热板片作为构成宽通道板式换热器的核心部件,对其换热效果具有直接影响.为有效提升换热器性能,减少能量损耗,提出一种宽通道换热板片结构的多目标头脑风暴优化设计方法.首先,根据换热板片的形状和布局特点,提取梯形凸台尺寸及其分布间隔构成结构参数,采用正交法,基于Fluent数值模拟软件获得25组换热板片结构样本;然后,采用回归构建换热努塞尔数和压力损失的代理模型,以最大换热效果和最小能量损耗作为优化目标,采用基于网格的多目标头脑风暴优化算法,寻优获得最佳换热板片的结构设计方案.统计实验结果表明,换热性能代理模型可以有效降低评价代价,所提出优化设计方法可以更加高效地获得具有最佳换热效果和能量损耗的换热板片结构.     

多股流板翅式换热器翅片通道中传热的计算流体力学模拟及定性尺寸

板翅式换热器结构紧凑,传热效率高,常用于多个冷热物流之间的换热,但是其通道数量众多,其内部流道中的流场和温度分布很难用实验方法来测定。采用计算流体动力学(CFD)软件ANSYS,针对锯齿形翅片模拟了板翅式换热器进出口的温度场分布,根据热量平衡和热量传递速率方程,对多股流板翅式换热器的各通道的温度分布进行模拟,并分别计算出各个流股在各个通道的二次传热表面最大传热距离,即通道定性尺寸。分别对两流股和三流股的2个板翅式换热器进行通道温度场分布CFD模拟,从而计算得到板翅式换热器的定性尺寸。对于两流股一冷一热交替排列的通道,数值模拟的定性尺寸与简化的经验方法计算结果都为翅片的一半,而对于三流股八通道的定性尺寸,中间的第四通道和第六通道的翅片定性尺寸大于基于传统计算方法得到的定性尺寸,对应的翅片效率小于传统方法得到的结果。基于板翅式换热器传热机理对结果分析表明,数值模拟结果比文献经验计算方法的结果更合理,即为板翅式换热器的设计提供了准确的基础参数,原因是数值模拟结果考虑了相邻多个通道热流量和温度对通道传热的影响,改进了传统方法仅考虑相邻通道热流量和温度的影响。     

汽车尾气余热发电装置的圆筒式换热器仿真

采用圆筒式换热器结构,建立了用于温差发电的尾气通道模型,运用流体仿真软件ANSYS CFX对其与尾气的换热效果进行仿真,分析不同翅片厚度、高度及翅片个数对换热性能的影响。根据不同尾气速度下的模拟结果,确定了最佳翅片厚度、高度和翅片个数。计算结果表明,圆筒式换热器在减小尾气压降方面效果良好。     

基于微加速度计的虚拟呼啦圈

采用圆筒式换热器结构,建立了用于温差发电的尾气通道模型,运用流体仿真软件ANSYS CFX对其与尾气的换热效果进行仿真,分析不同翅片厚度、高度及翅片个数对换热性能的影响。根据不同尾气 速度下的模拟结果,确定了最佳翅片厚度、高度和翅片个数。计算结果表明,圆筒式换热器在减小尾气压降方面效果良好。     

利用温焓图自动综合多流股换热器网络

为合理、经济地利用能源,降低生产成本,综合考虑了温度、表面传热系数和材质等影响流股传热能力的因素,计算出温差贡献值来修正各流股的实际温度得到虚拟温度,基于虚拟温度作出温焓图,提出多流股换热器网络的综合策略和冷、热流股的匹配规则,得到一组串联的多流股换热器,直观有效地进行换热网络的设计和优化。最后通过两个例题说明所提方法是可行的。     

内置转子强化管抗污垢性能数值模拟

采用数值模拟方法研究光管及内置螺旋叶片转子强化管的抗污垢性能,得到换热管颗粒污垢体积分数分布,研究流体流速对强化管抗污垢性能的影响.结果表明:与在相同条件下的光管相比,强化管管内沉积的污垢明显减少;由于颗粒自身重力影响,底部沉积的污垢体积分数高于换热管顶部;随着流体流速的增加,强化管底部的颗粒污垢体积分数有所减小,顶部的颗粒污垢体积分数有所增大,并且强化管的颗粒污垢体积分数不断趋近于入口处设置的颗粒污垢体积分数.     

基于聚四氟乙烯表面滴状冷凝的传热分析

表面材料对滴状冷凝传热影响很大,本文建立聚四氟乙烯复合材料表面传热的数学物理模型,分析滴状冷凝的传热机理,计算表面液滴和液膜的冷凝传热,获得冷凝面的总传热系数.应用ANSYS软件模拟液滴,液膜传热,液膜区换热对整体滴状冷凝影响很大.     

基于两相流型的EDR和HTRI计算立式热虹吸再沸器结果分析

EDR和HTRI是换热器设计、校核和模拟中广泛使用的软件,但是,当传热温差较大时,两款软件在立式热虹吸再沸器的计算中结果差异很大。基于EDR和HTRI对某项目的三台立式热虹吸再沸器进行的严格计算和参数优化,并通过再沸过程中气液两相流流型的分析,对两款软件的计算结果存在差异的原因进行了详细的剖析,确定了差异产生的原因是由于两款软件对于再沸器换热管内气化流型设置的不同造成的。与EDR不同的是,使用HTRI计算时会出现膜状流,降低对数平均温差是一个避免产生膜状流的有效手段。建议使用过程中结合生产经验数据,确定合适的总传热系数,从而选用需要的换热面积;或从工程设计的角度出发,采用传热系数较低的设计方案。     

基于板式换热器的脉动流强化换热实验研究

由于脉动流会对板式换热器的换热特性产生影响,鉴于其可以提高各大型设备的主机换热效率且具有节能的效果,针对板式换热器进行了脉动强化换热研究。实验时将俄罗斯莫尔多瓦国立大学自主设计的脉动发生器安装在换热器冷却水端上游部分,用场协同数表示换热效果,分析板式换热器在不同脉动频率、质量流量以及脉动振幅下的换热效果。实验结果表明,由脉动发生器产生的脉动流可以起到强化换热的作用,其强化换热能力与脉动频率、质量流量等因素有关;且脉动频率存在一极峰值,此时换热效率最高,节能效果最佳。     

基于虚拟温度法的间歇过程换热器网络综合

提出了基于时间段模型(TSM)综合间歇过程换热器网络的方法,用虚拟温度法代替传统的单一最小传热温差,将各流股的温差贡献值作为决策变量,年度总费用最小作为目标函数建立数学模型.应用遗传膜拟退火算法对上述数学模型进行求解,分别获得每个时间间隔内的子换热器网络结构,并进一步对总换热器网络做结构优化,使其既满足流股的换热要求,又满足年费用最小.方法应用于实例计算,结果比基于最小传热温差获得的换热器网络年度总费用节省6.0%,换热器减少5台,说明这种方法既节省费用,又简化了网络结构.     

换热网络流程模拟系统

本文建立了由换热器、分流器和混合器构成的换热网络流程模拟系统。经过系统分解求出系统中可以独立求解的子系统并给出计算顺序,对环路子系统,求出最佳断裂物流数及物流号,建立了基础物性数据库和标准系列换热器结构参数数据库。提出了校正传热单元数法求换热温度,结果输出详细,经对许多实例的模拟计算,取得了令人满意的结果。