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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

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.     

孔板结构对梅花形孔板换热器壳程传热影响的模拟研究

采用ANSYS CFX对梅花形孔板换热器壳程的流动和传热进行了数值模拟研究,通过分析壳程流场揭示了孔板换热器壳程强化换热机理,得到了3种不同开孔率的孔板换热器壳程平均努塞尔数Nu以及压降Δp随雷诺数变化的规律。结果表明:由于孔板处流道面积较小,流体产生射流效应并伴有二次流现象,在破坏流动边界层的同时增强了流体扰动,强化了换热;3种换热器的Nu和Δp都随雷诺数的增加而增大,开孔率越低换热器的换热性能越好,但壳程压降也越大;开孔率0.215的换热器综合性能参数(Nu/Δp)比开孔率0.173和0.130的换热器平均高28.8%和50.14%。     

三叶孔板强化换热性能及机理分析

三叶孔板是以纵向流形式强化管壳式换热器性能的一种典型支撑板结构,具有附加阻力小和能够降低管束流激振动等诸多优势。为了分析三叶孔板对管壳式换热器壳程传热性能的强化效果和机理,本文依据周期性和对称性特征构建了不同孔高的换热器单元流道模型,采用重整化群k-ε湍流模型和SIMPLE耦合算法分析其壳程流场分布特征并评估其综合换热性能。结果表明,三叶孔板换热器Nu数和阻力系数较无孔板管壳式换热器均有所增加,相对Nu数(Nu/Nu_0)和相对阻力系数(f/f_0)随孔高H增大而减小,性能评价指标(performance evaluation indicators,PEC)随孔高H增大而增大。与无孔板管壳式换热器相比,三叶孔板换热器壳程纵向各处场协同角β较小而纵向涡强度?_x较大,因此场协同性的改善和纵向涡强度的提高是三叶孔板强化换热的原因。     

隔板高度对螺旋隔板套管换热器的影响

采用计算流体力学方法对螺旋隔板套管式换热器壳侧的传热和阻力特性进行模拟,建立了螺旋升角为40o、螺旋隔板高度分别为b, 3b/4, b/2, b/4和b/8 (b为螺距)的换热器模型,分析了螺旋隔板高度对壳程流体传热的影响. 结果表明,相同壳程工质体积流量下,换热器的壳程总换热量、换热系数和阻力系数随隔板高度增加而增加,单位长度压降随隔板高度增加而减小. 隔板高度为b, 3b/4和b/2时比隔板高度为b/8时的换热系数分别提高7.83, 3.68和3倍,壳程进出口压降分别减少98%, 97%和95%,但阻力系数却分别提高34, 15.3和5.3倍. 为提高螺旋隔板强化单管换热器的壳侧综合换热性能,其隔板高度应为1/2b~3/4b.     

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。     

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。     

管壳式换热器壳侧强化传热技术的研究进展

指出了传统的弓形折流板管壳式换热器存在的问题,对各种强化壳程传热的传热管换热器、纵向流、螺旋流、射流换热器的结构特点、强化传热机理及其研究现状进行了详细的分析与总结,并提出了管壳式换热器壳侧强化传热技术的发展方向。     

三维翅片管外螺旋流动传热强化

流体在螺旋隔板换热器的壳程类似于塞状流流动,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隔板换热器高得多.以润滑油作为实验介质,研究了润滑油在螺旋隔板单管换热器的壳程传热和压降性能,并与光滑管进行了性能对比.采用Wilson图解法分别分离出了螺旋隔板花瓣管和光滑管单管换热器的管程传热系数,并计算出各自的壳程传热系数,壳程传热系数相对误差为±3％.实验结果表明,在相同Reynolds数下,螺旋隔板花瓣管单管换热器的Nusselt数和压降Δp分别是螺旋隔板光滑管单管换热器的2～2.7倍和1.3～1.4倍.与螺旋隔板光滑管单管换热器相比,螺旋隔板花瓣管单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,花瓣管具有很好的传热强化性能.     

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%。     

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。     

矩形自支撑缩放管换热器强化传热的结构优化

在新型换热器--矩形自支撑缩放管换热器的基础上,通过FLUENT软件利用三维数值模拟的方法分别研究在缩放段长度比例保持不变的情况下,缩放节距及缩放肋高对换热器管程、壳程及整体综合传热性能的影响,并得出缩放管的优化尺寸。研究表明:对于换热器管程和壳程,缩放节距l越小,换热效果越好,阻力也越大,壳程在l=16.5 mm 时综合传热性能达到最佳,而管程则在l=9 mm时综合传热性能最好;缩放肋高h越大,二者的换热效果越好,阻力也由于管子的粗糙程度增加而变大,此时综合传热性能管程在h=1.25 mm时最好,壳程则在h=0.5 mm时最好。引起这些变化的原因主要是由于随缩放节距与缩放肋高的增加,管程和壳程通道内的回流区不断增加,在回流区的增加造成阻力增加的同时,也改善了速度场与温度场的协同性,从而使二者的传热性能增强。最后将管程和壳程作为一个串联的整体进行综合考虑,得到整个换热器的综合传热性能在l=15 mm,h=0.75 mm时达到最佳,综合因子η=1.136~1.155(壳侧Re=27900~41900)。     

管壳式换热器壳侧传热系数的影响因素研究

针对工业中广泛应用的管壳式换热器,采用3种计算方法分别对7台典型的管壳式换热器的壳侧换热系数进行了计算研究,研究结构参数对壳侧传热性能影响的结果表明,管子节径比、折流板间距、折流板与壳体内壁间隙以及管束外缘与壳体内壁间隙等结构参数均对壳侧的传热性能有较大影响。不同计算方法之间的对比分析表明：以Kern法和Donohue法为代表的整体法相对于流路分析法偏差较大,而Bell-Delaware法的计算精度相对于整体法明显提高。     

U形导流板换热器传热和阻力性能分析

建立U形导流板换热器和扭转流换热器全截面周期模型,利用计算流体力学（CFD）方法对两种换热器壳程性能进行数值研究。相较于扭转流换热器,U形导流板换热器的壳程压降降低45.3%～47.5%,传热系数降低9.9%～13.5%,均匀性提高2.4%～4.0%,综合性能提高4.0%～14.6%。场协同结果表明,U形导流板换热器壳程流体速度与压力梯度的协同性优于扭转流换热器,而流体速度与温度梯度的协同性不如扭转流换热器。本文利用激光多普勒测速仪（LDV）验证了模拟方法准确性和模拟结果的可靠性;分析了U形导流板结构参数及布置方式对换热器壳程压降和传热性能的影响。结果表明,U形导流板的布置角度和布置方式对性能影响显著,导流板宽度和导流板间距的影响较小。