梅花形孔板换热器壳程流动与换热特性模拟

换热器是化工生产的重要设备之一,为了解决传统的弓形折流板换热器存在压降过大和换热效率低的问题,设计了一种新型的梅花形孔板换热器。针对使用简化模型进行模拟研究的局限性,构建了梅花形孔板换热器壳程全三维模型。采用CFX模拟比较了梅花形孔板换热器与弓形折流板换热器壳程的流动换热特性,并进一步研究了孔板间距与换热器性能的相关性,得到了换热管外表面平均对流换热系数h,以及壳程压降Δp随雷诺数Re变化的规律。研究结果表明:梅花形孔板换热器可以有效消除折流板换热器中存在的流动死区并减少壳程压降,同时孔板处流体形成射流破坏流动边界层,强化换热。在模拟雷诺数范围内,孔板换热器的综合性能参数h/Δp相比折流板换热器平均高约12%;相同雷诺数下孔板间距越大换热器综合性能越高。     

三叶孔板换热器壳程流动及传热数值模拟

三叶孔板换热器是一种新型纵流换热器,广泛应用于核电装备领域。针对目前使用较多的壳程"单元流道"模型的局限性,建立了三叶孔板换热器壳程整体模型,包括进出口接管。采用商用软件FLUENT14.0及RNG k-ε湍流模型对壳程流体流动与传热进行了数值研究,分析了三叶孔板换热器壳程流动与传热特性。结果表明:流经第一块支撑板后,流体已充分发展,并且随着壳程结构周期性变化,传热与压降也呈现周期性变化。在支撑板附近,流体流速变大,形成射流,并且由于支撑板阻挡,在支撑板前面和尾部产生二次流,能有效冲刷管壁,减薄流动边界层,起到强化传热作用。     

三叶孔板换热器壳程流动及传热数值模拟

三叶孔板换热器是一种新型纵流换热器,广泛应用于核电装备领域。针对目前使用较多的壳程“单元流道”模型的局限性,建立了三叶孔板换热器壳程整体模型,包括进出口接管。采用商用软件FLUENT14.0及RNG k-ε湍流模型对壳程流体流动与传热进行了数值研究,分析了三叶孔板换热器壳程流动与传热特性。结果表明：流经第一块支撑板后,流体已充分发展,并且随着壳程结构周期性变化,传热与压降也呈现周期性变化。在支撑板附近,流体流速变大,形成射流,并且由于支撑板阻挡,在支撑板前面和尾部产生二次流,能有效冲刷管壁,减薄流动边界层,起到强化传热作用。     

三叶孔板换热器壳程传热与压降

三叶孔板换热器是一种新型纵向流换热器,由于其具有传热效率高、压降低、抗振结构性能优越等诸多优点而广泛应用于核电行业。搭建三叶孔板换热器壳程传热与压降测试平台,对传热和压降的测量结果进行不确定度分析。对4台三叶孔板换热器模型进行实验研究,结果表明随着Reynolds数的增大,壳程对流传热系数和压降在对数坐标内线性增大;在Reynolds数相同的情况下,随着支撑板间距的增大,三叶孔板换热器壳程Nusselt数逐渐减小,压降逐渐降低,同时压力梯度逐渐减小。为了进一步分析说明三叶孔板换热器壳程传热与阻力性能,基于Bell-Delaware法设计了具有相同结构参数的折流板换热器。与折流板换热器的对比结果表明：三叶孔板换热器壳程Nusselt数平均为折流板换热器的1.25倍,壳程整体压力平均为折流板换热器的0.77,综合性能平均为折流板换热器的1.62倍。     

大小孔折流板换热器壳程传热与阻力性能研究

为揭示大小孔折流板换热器壳侧传热的机理,对大小孔折流板换热器壳侧的传热和阻力特性进行了实验研究,并利用标准k-ε湍流模型进行了数值模拟。结果表明:不同进口雷诺数下,大小孔换热器壳程传热效率数值模拟值与实验值误差为7.9%,压降与实验值误差约为3.1%,数值计算模型用于大小孔折流板换热器的研究是正确可行的;流体经过小孔时,流体具有射流加速的效应,其局部传热系数和局部阻力系数都会增大,大小孔折流板换热器具有较高的壳程传热系数和较低的壳程压降。     

三叶孔板换热器壳程流体流动和传热特性数值研究

利用FLUENT软件对三叶孔板换热器壳程流体流动和传热特性进行了数值模拟研究,通过建立周期性全截面计算模型,对其强化传热机理进行了研究,分析了壳程内不同位置换热管壁面对流传热系数与换热管至壳体轴心距离的关系。结果表明:流体流经三叶孔时产生的射流以及在三叶孔板后产生的二次流动使壳程传热得到强化;三叶孔板换热器壳程内随着换热管至壳体轴心距离的增大,换热管壁面对流传热系数逐渐减小。     

孔板结构换热器传热与阻力性能的数值模拟

基于周期性全截面模型及RNG k-ε湍流模型,运用计算流体力学软件FLUENT对不同孔板结构换热器壳程流体流动以及传热性能进行了数值模拟分析,并通过文献试验数据验证了该数值模拟方法的可行性和准确性。在此基础上,对比分析了三叶孔、四叶孔、五叶孔、大圆孔、小圆孔等5种孔板结构的传热与阻力性能,探讨了支撑板等结构参数对其传热与阻力性能的影响,进一步采用场协同原理探讨了孔板换热器的强化传热机理。研究结果表明：采用RNG k-ε湍流模型以及周期性全截面模型可较为准确地模拟孔板换热器壳程流体流动情况;5种模型中五叶孔换热器的传热特性最好但阻力最大,小圆孔的传热效果最差但阻力最小;随着支撑板间距以及开孔高度的增加,换热器壳程的传热系数和压力降均逐渐降低;在支撑板后,速度矢量与温度梯度之间的夹角波动幅度变化剧烈,起到了强化壳程传热的效果;其中五叶孔板的场协同角波动幅度最大,强化传热效果最好。     

梅花孔板纵向流换热器壳程流动与传热的三维数值模拟

基于梅花孔板纵向流换热器的三维物理模型,采用RNG k-e湍流模型,对其壳程流动与传热特性进行了数值模拟,以空气为工作介质,考察了孔板开孔率y=0.148, 0.18和0.214的换热器在雷诺数Re=4000~12000范围内的传热和压降. 结果表明,流体流过梅花孔后产生贴壁射流,射流的卷吸和二次流作用有利于流体的混合与传热. 换热器壳程平均努塞尔数Nu和单位长度压降Dp/lz均随开孔率y和折流板间距L减小而增大;与相同条件下弓形折流板换热器相比,在研究范围内,该流换热器的Nu提高了14.9%~52.88%,Dp增减幅度为152.85%~-16.62%,综合性能系数PEC为1.03~1.44,适当增大开孔率y和孔板间距L可提高换热器的综合传热性能.     

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%。     

高粘度流质下管壳式折流板开孔换热器换热性能的数值模拟

通过数值模拟计算研究了4块弓形折流板管壳式折流板开孔换热器在高粘度流质下的强化换热性能。模拟结果表明,在高粘度流质中折流板开后换热器压力分布比未开孔前分布均匀些,温度分布同样遵循相似规律,未开孔折流板背根部会产生滞留区,并且滞留区随着速度的增大而增大,折流板开孔后会对流体产生扰动作用,从而改善滞留区,有助于强化传热。     

管壳式换热器壳程流体流动与换热的数值模拟

为了研究纵向多螺旋流管壳式换热器壳程流体湍流流动与换热的工作机理,文中利用FLUENT软件,在壳程流体流速设定值不断改变的情况下,对纵向多螺旋流管壳式换热器壳程湍流流动与换热进行了三维数值模拟。得到了多螺旋流管壳式换热器在不同的壳程流体流速下的温度场、速度场、质点迹线图、壳程传热膜系数分布图等。根据模拟得到的结果,从多个方面对纵向多螺旋流管壳式换热器壳程湍流流动与强化传热进行了探讨。模拟结果与实验结果进行了比较,二者误差约在±11%以内,吻合良好。     

新型板壳式换热器壳程流动与换热的数值模拟

提出一种新型的板壳式换热器,建立2种不同板束截面形式的换热器模型,利用FLUENT软件对壳程流体的流动和换热进行数值模拟,从多个方面对板壳式换热器壳程湍流流动与强化传热进行了探讨。模拟结果表明,由于换热板片特殊的蜂窝结构,靠近板片壁面的流体产生了明显的周期性波浪式流动,这种流动加剧了流体的湍流强度及边界层的扰动,起到了壳程强化传热的效果。对于2种不同截面形式的换热器,圆形截面形式的换热器壳程空间利用率较高,流体流动充分,热交换效果更好,在同流量下,其壳程对流换热系数比方形截面形式的高35%—40%,压降高17%—19%,单位压降下的壳程对流换热系数高15%—19%。该数值模拟结果对板壳式换热器的研究具有一定的理论意义和工程实用价值。     

异形片式倾斜折流栅换热器壳程强化传热数值模拟

采用CFD软件FLUENT,Standard k-ε模型,借助数值模拟方法对异形片式倾斜折流栅换热器和常规帘式折流片换热器流动传热性能进行研究,并利用场协同理论分析异形片式倾斜折流栅换热器的折流栅不同倾斜角度对壳程传热性能的影响。结果表明:壳程雷诺数在6 000—10 000范围内,同常规帘式折流片换热器相比,异形片式倾斜折流栅换热器折流栅与折流片平行排布时,壳程传热系数和综合性能分别增加12.7%—13.9%和6.4%—7.6%;折流栅和折流片交错排布时,壳程压降降低18.45%—19%,壳程综合性能略高于常规帘式折流片换热器;异形片式倾斜折流栅换热器折流栅倾斜25°时,壳程传热系数和综合性能最好,且速度场和温度场协同性最优,因此25°为异形片式倾斜折流栅换热器最优倾角。     

三分螺旋折流板换热器水-水传热壳侧综合性能

对倾斜角为10°、15°和20°的扇形折流板,倾斜角为15°的椭圆折流板和倾斜角为20°的轴向搭接扇形折流板三分螺旋折流板换热器以及弓形折流板换热器的传热特性和压降性能进行了测试试验研究,其中螺旋折流板全部采用分区布管结构,有48根管子,而弓形折流板换热器有49根管子。试验数据分析采用轴向Reynolds数Re_z,o作为自变量,壳侧Nusselt数Nu_o、轴向Euler数Eu_z,o等参数作为因变量,并采用Nu_o/Eu_z,o量纲1组合数作为综合性能指标。在试验范围内,20°s方案的综合性能指标最高,比弓形折流板换热器方案平均提高69.8%;倾斜角最小的10°s方案的综合性能低于弓形折流板换热器方案;轴向搭接折流板换热器方案的综合性能低于相同倾斜角外圈连接折流板换热器方案,而椭圆折流板方案的综合性能低于相同倾斜角的扇形折流板方案。     

螺旋折流板换热器壳程流体流动的数值模拟

在对螺旋折流板管壳式换热器结构和操作条件进行简化的基础上,采用计算流体动力学分析方法建立数学模型,并利用CFD分析软件FLUENT模拟换热器壳程流动特性,得到了换热器壳程流场分布的直观信息。对流体传热特性做了初步探讨,并比较了弓形折流板换热器和螺旋折流板换热器的流动特性,为这种换热器结构的优化和产品的研究开发提供一定的依据。     

花格板换热器的流动与传热

花格板换热器作为一种新型的管壳式换热器,其流动和传热机理研究目前尚未有较深入的研究。通过CFD技术,对花格板换热器的流动和传热性能进行了研究,并将结果与传统的弓形折流板换热器进行了比较,结果表明,在相同的Reynolds数下,花格板换热器的压降仅为折流板换热器的0.45倍左右,而两者的传热系数相差不大,因而花格板换热器的综合性能参数约为折流板换热器的2.2倍左右。     

搭接方式对螺旋折流板换热器壳程性能的影响

对螺旋折流板换热器进行了数值模拟,研究了相同螺距下搭接方式对壳程流动与传热性能的影响。结果表明,壳程传热系数与压降均随搭接量的增大而减小,且后者降低的幅度大于前者;连续搭接时三角区漏流增大了中心区域横向和纵向冲刷管束的速度,但整体分布不均匀,折流板背风侧流动较差;随搭接量的增大,边缘三角区增强了靠近壳体壁面区域的流动,改善了壳程的流场状况;折流板交错搭接时中心区域换热管热通量较连续搭接大幅降低,传热沿径向分布的不均匀性大大减轻。     

板-泡式换热器传热及阻力特性数值模拟

开孔泡沫金属由于其复杂的三维网状结构,当流体通过时会发生非线性扰动,湍流程度增强,使得泡沫金属和流体之间发生强迫对流换热,基于开孔泡沫金属能强化传热的特性开发了高效紧凑的板-泡式换热器。利用FLUENT多孔介质模型对板-泡式换热器的传热及阻力特性进行数值模拟。研究结果表明:在导热隔板间填充铝泡沫金属,换热器的传热效率明显提高;在相同速度下,换热效率随孔隙率的增大而减小;努塞尔数随着流道高度的增加而增大,且随着雷诺数的增大,其影响越来越明显。同时以数值计算结果为基础,拟合得到400Re4 000范围内努塞尔数以及阻力系数准则关系式。研究结果可为板-泡式换热器的结构优化和设计制造紧凑换热设备提供参考。