连续螺旋折流板换热器流动与传热性能及熵产分析

采用数值模拟的方法,研究了螺旋角对连续螺旋折流板换热器流动与传热性能的影响,并以熵产数为指标对换热器性能进行了基于热力学第二定律的分析评价。结果表明,相同质量流量时壳程传热系数和压降均随螺旋角的增大而降低,且后者降低的幅度大于前者。连续螺旋折流板换热器壳程横截面上切向速度分布较弓形折流板换热器更加均匀。在靠近中心假管的内层区域,同一径向位置的轴向速度随螺旋角的增大而降低,而在靠近壳体壁面的外层区域则相反。螺旋角越大,不同径向位置的换热管间的换热量分布均匀性越好。壳程质量流量相等时,换热器中传热引起的熵产占总熵产的比重随着螺旋角的增大而增加,熵产数随着螺旋角的增大而降低。     

Design and optimization of heat exchangers with helical baffles

The hydrodynamics and heat transfer characteristics of a heat exchanger with single-helical baffles are studied experimentally as well as numerically. A heat exchanger with two-layer helical baffles is designed by using computational fluid dynamics (CFD) method. The comparisons of the performance of three heat exchangers with single-segment baffles, single-helical baffles and two-layer helical baffles, respectively, are presented in the paper. The experiment is carried out in counter-current flow pattern with hot oil in shell side and cold water in tube side. Overall heat transfer coefficients are calculated and heat transfer coefficients of shell side are determined by Wilson plots technique. It shows that the heat exchangers with helical baffles have higher heat transfer coefficient to the same pressure drop than that of the heat exchanger with segmental baffles based on the present numerical results, and the configuration of the two-layer helical baffles has better integrated performance than that of the single-helical baffles.     

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。     

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．     

Experimental performance comparison of shell-side heat transfer for shell-and-tube heat exchangers with middle-overlapped helical baffles and segmental baffles

Presented in this paper are experimental test and comparison for several shell-and-tube heat exchangers, one with segmental baffles and four with helical baffles at helix angles of 20^°, 30^°, 40^° and 50^°, respectively. The results show that, based on the same shell-side flow rate, the heat transfer coefficient of the heat exchanger with helical baffles is lower than that of the heat exchanger with segmental baffles while the shell-side pressured drop of the former is even much lower than that of the later. Further enhancement techniques should be incorporated in order to enhance shell-side heat transfer based on the same flow rate. The comparison of heat transfer coefficient per unit pressure-drop (and pumping power) versus shell-side volume flow rate shows that (1) the heat exchanger with helical baffles have significant performance advantage over the heat exchanger with segmental baffles; (2) for the same shell inner diameter, the performance of heat exchanger with helical baffles with 30° helix angle is better than that of 20°, and the performance of 40° helix angle is better than that of 50° helix angle. The heat exchanger with helical baffles of 40° angle shows the best performance among the five heat exchangers tested.     

折面螺旋折流板换热器的流动传热性能

针对现有平面螺旋折流板换热器的相邻折流板与壳体间存在的三角漏流区,提出了一种折面螺旋折流板换热器。基于实验研究分析了折面螺旋折流板换热器的螺旋角和搭接度对流动传热性能的影响,并拟合了壳程对流传热和阻力系数的实验关联式。结果表明,当壳程体积流量相同时,随着螺旋角的减小,折面螺旋折流板换热器的壳程总压降增加,壳程管束压降增加,壳程膜传热系数提升,综合性能增强;相同壳程体积流量下,随着搭接度的增加,壳程总压降也增加,壳程膜传热系数增加,综合性能提高。实验研究表明螺旋角18°、搭接度50%的折面螺旋折流板换热器流动传热性能最佳。将折面螺旋折流板换热器的螺旋角和搭接度作为修正因子拟合到了实验关联式中,对比发现实验值与Nu实验关联式计算值的平均相对误差为1.13%,与f实验关联式的平均相对误差为6.84%,说明了拟合的正确性和可靠性。研究结果为折面螺旋折流板换热器的设计提供了理论指导。     

换热器结构优化与换热性能评价指标研究

某运载器中冷却器存在若干问题：壳侧压力损失较大;采用的弓形折流板结构使得壳侧工质呈现出Z字形流动,在折流板后易形成流动死区,促使壳侧结垢,使得换热器总传热性能降低。提出了两种针对壳侧结构的强化换热设计方案。方案一为减少弓形折流板数量、增加折流板间距;方案二为采用螺旋折流板替换原有的弓形折流板。为验证文中采用的热力设计方法的准确性,根据文献中的实验结果针对弓形折流板和螺旋折流板管壳式换热器热力设计方法进行了验证,结果表明文中采用的热力设计方法得到的计算数据与实验结果的偏差在37%以内,满足工程设计需求。优化方案根据优化参数不同,其优化结果有所不同,基本存在以下规律：优化设计可使换热器管壳两侧总压降减小,但同时其换热性能也下降。因此,需要一个综合指标来进行评价。文中提出以换热量Q与换热器流动阻力引起功耗的比值作为综合性能评价指标。该指标表示换热系统克服换热器流动阻力消耗单位泵功下的换热量,其值越大,单位泵功下换热量越高,经济性越好。经过计算发现最优方案相对原始方案,综合评价指标提高了约22.2%。     

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。     

Pilot experimental study on shell and tube heat exchangers with small-angles helical baffles

In this paper, the experimental comparisons of shell side thermodynamic and hydraulics performance are made among three helical baffles heat exchangers and one segmental baffles heat exchanger. The experiment scale is larger than the previous experimental setup as the diameter of test heat exchangers are 500 mm and the effective tube length are 6 m; the experiment mainly focuses on the small helical angle scheme as the helical angle ranges from 7° to 25°. Among all the four heat exchangers, both the shell side heat transfer rate and the shell side pressure drop peak when helical angle equals 7°, and the shell side heat transfer rate per unit pressure drop at this angle is the smallest. This phenomenon could be easily illustrated as the concept ‘fluid-flow distance’ is presented. At last, the correlations for the shell side Nusselt number and friction factor are presented as a reference.     

平行流分隔板管壳式换热器壳侧流场与传热性能

引　言在石油、化工、能源、建筑、冶金、轻工、核能、制冷、动力乃至火箭、航天航空等工业领域[1] 大量使用各种换热器 ,所以研究开发高性能换热设备提高传热性能是节能增效的重要途径之一 .如图 1(a)所示的单弓形折流板管壳式换热器已经在工业中使用了上百年 ,而且迄今一直是     

转化过程气体换热器的副线调节性能：操作气量的影响

以转化过程中采用的圆缺形折流板和双圆缺形管束排列的管壳式气体换热器,推导出操作气量负荷率,管壳程副线率与换热面积富裕系数之间的定量解析关系式,它们仅是换热器管壳各进出口温度的函数。副线调节的灵敏性以调节管程及温差大的流体走管程为最佳,操作气理负荷率所对应的换热器相对压降与副线调节方式及流体走法无关。     

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%。     

折流板间距对换热器性能影响的数值研究

采用CFD数值模拟方法,研究了简化模型下弓形折流板和螺旋折流板换热器,对应于不同间距/螺距时,流动参量的变化对换热器整体流动与传热性能的影响。结果表明,两种结构对应的壳程压力损失和换热系数均随壳程流量的增加而增大,而螺旋折流板结构单位压降下换热系数大于弓形折流板,并且其性能受折流板螺距变化的影响较小,体现了螺旋折流板结构的优越性。计算结果与现有实验结论吻合较好。     

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。     

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。     

螺旋折流板菱形翅片管换热器的传热与流阻性能

引　言近年来的研究[1～ 6] 表明 ,螺旋折流板换热器的螺旋折流板使流体在壳侧呈连续柱塞状螺旋流动(即 plug流 ) ,不会出现传统折流板换热器内的流动“死区” ,并且由于旋流产生的涡与管束传热界面边界层相互作用 ,使湍流度大幅度增强 ,有利于提高壳侧传热膜系数 .PStehlik等[2 ] 对螺旋折流板换热器进行研究得出 ,相同条件下与传统弓形折流板换热器相比 ,换热器的传热系数提高 1 8倍 ,流动阻力降低 2 5 % .陈世醒等[6] 研究发现 ,对于水这样的低黏度流体 ,相同流量单位压降的壳程对流传热系数 ,螺旋折流板换热器约为普通弓形折流板换热器…     

转化过程气体换热器的副线调节性能——温度的影响

对转化过程采用圆缺形折流板和双圆缺形管束排列的气体换热器 ,推导出操作气量负荷率、管壳程副线率以及换热面积富裕系数与换热器管壳程进出口温度变化值之间的定量解析关系式 ,它们仅是换热器管壳程进出口温度设计值的函数。管壳程进出口温度变化共有 58种组合形式。最小换热面积富裕系数为温度变化引起换热量变化及换热器平均温差变化两部分的乘积。     

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。     

扭曲椭圆管换热的壳程强化传热特性

通过搭建扭曲椭圆管换热器壳程传热与压降性能测试平台,对扭曲椭圆管换热器壳程传热与压降性能进行了实验测试,以实验数据为基础对前人得到的壳程传热与压降性能计算准则关系式的应用范围进行了分析,同时拟合得到了测试用扭曲椭圆管换热器壳程传热与压降性能计算准则关系式,设计了与测试扭曲椭圆管换热器结构类似的折流板换热器以及折流杆换热器,采用相关计算方法对换热器的传热与压降性能进行了计算和比较,并分析了3台换热器的综合性能,结果显示扭曲椭圆管换热器传热效果好、压降低,具有很好的工业应用前景。