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。     

旋梯式螺旋折流板换热器换热性能的实验研究

目前普遍使用的螺旋平面折流板换热器在相邻两块折流板的直边对接处存在X形的内外两个三角漏流区,严重影响了换热器性能的提高。采用旋梯式折面折流板替代平面折流板后,由于旋梯式折面折流板两侧的折弯面能使相邻两块折流板密切接触,封闭了三角漏流区,改善了壳程流场。实验结果表明,旋梯式螺旋折流板换热器相比于螺旋平面折流板换热器,总传热系数平均增加21.4%,壳侧传热系数平均增加27.3%,而压降增加引起的泵耗功率增量为2~80 W。换热器的热性能因子提高了14.8%~24.2%,平均增加19.5%。此外,旋梯式螺旋折流板换热器具有定位和安装简单方便等优点。本研究结果对于换热器的节能优化具有重要的指导意义。     

变螺旋角对新型螺旋折流板换热器的性能影响

新型螺旋折流板换热器采用折面折流板代替平面折流板,消除了换热器壳程相邻折流板搭接形成的三角漏流区,进而增强了传热效果。文中分别对螺旋角度为18°,27°,35°和40°,搭接量均为50%的(e=50%)新型螺旋折面折流板换热器进行了实验研究并分析其传热和阻力性能。实验结果表明:螺旋角为18°的螺旋折面折流板换热器传热性能最好,以Nu/f1/3作为综合性能评价指标时,其综合性能最优。     

折流板结构对换热器壳程性能影响的定量研究

针对弓形折流板、连续螺旋折流板换热器,采用CFD软件FLUENT,RNG k-ε模型,借助数值模拟的方法,定量地比较2种折流板结构下换热器的压降、传热系数、综合性能,并进一步分析了不同折流板结构下换热器壳程局部流场和温度场的分布特点。结果表明:同连续螺旋折流板换热器相比,弓形折流板换热器壳程速度场和温度场分布存在着明显的不连续性。弓形折流板相邻折流板间距同连续螺旋折流板螺距相同条件下,折流板螺距较小时,采用连续螺旋折流板能够明显提高换热器传热系数,但折流板结构改变对换热器综合性能的影响不大;增大折流板螺距,采用连续螺旋折流板能够明显提高换热器综合性能,但不同折流板结构下换热器传热系数变化不大。计算结果为折流板结构的选用提供了理论依据。     

阻流板对1/4螺旋折流板换热器综合性能的影响

建立存在三角区和阻流板堵住三角区2种1/4螺旋折流板换热器模型;采用大型CFD分析软件FLUENT借助数值模拟的方法,研究阻流板对换热器壳侧流动与传热性能的影响;并对阻流板结构进行了优化分析。结果表明:增加阻流板能够有效地提高换热器的壳程传热性能,但壳程压降也随之增加。小螺旋角时,增加阻流板使换热器的综合性能降低;当螺旋角增大到一定程度,阻流板增加后换热器综合性增加;阻流板完全堵住三角区时,换热器壳程传热系数最大,同时壳程压力损失也最高。螺旋角为15°,阻流板长度为5r/8时,较无阻流板时换热器综合性能基本相同,壳程传热系数增加7.5%—8.5%。计算结果为改进螺旋折流板换热器折流板结构、优化折流板间三角区、强化换热器传热等方面提供了理论依据。     

螺旋折流板换热器的熵产分析

通过CFD数值方法,从热力学第二定律的熵产数NS出发,对比研究折面折流板换热器与原始扇形折流板换热器的性能。以分析改进型换热器能量转换数量和质量的优化程度。研究结果发现:折面折流板换热器封闭了扇形折流板相邻直边之间的三角泄漏区,使换热器不仅保持了壳程流体较好的螺旋状流动,而且流动形成了更加明显的径向速度梯度。折面折流板换热器总传热系数增加30.4%—36.3%,壳程压降增加36.0%—36.5%。螺旋折流板换热器熵产数NS随着传热单元数NTU增加而减小。在相同的入口流量下,折面折流板换热器传热单元数NTU均大于扇形折流板换热器,而熵产数NS均小于扇形折流板换热器,减小了24.4%—28.4%。折面折流板换热器不仅在提高换热器能量转换数量方面具有明显的优势,而且在能量的转换质量,即热力完善程度,也有显著的提高。文中的研究结果对于进一步了解螺旋折流板换热器流动换热的机理、指导换热器优化设计具有重要的意义。     

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。     

双螺旋结构螺旋折流板换热器试验研究

螺旋折流板换热器中壳程的流动方式与单弓形结构下具有很大的差别,在采用扇形板拼接而成的螺旋折流板结构中采用双螺旋结构来布置更多的折流板,减少流体在扇形板拼接处的漏流,使壳程流体流动更接近于平推流.分别以重柴油和水作为壳程介质,对普通螺旋折流板以及双螺旋结构螺旋折流板的传热性能、阻力性能进行试验研究,发现双螺旋结构在相同Re时,阻力提高9.9%和6.15%,Nu提高14.12%和11.72%,同时可以增大单位压降的Nu.     

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。     

螺旋流动未充分发展段对换热器性能的影响

通过对不同螺旋角的螺旋折流板换热器壳程流体流动和传热进行研究,得出壳程进口未充分发展段的分布规律;并在考虑壳程结构特点的基础上,提出了一种新型变角度的螺旋折流板模型,改善壳程进口未充分发展段对换热器的影响。结果表明:换热器折流板的导流作用随着折流板螺旋角的增大而降低,螺旋角的增大使换热器壳程进口流体螺旋流动减弱,螺旋流动未充分发展段长度增加。变角度的螺旋折流板能够有效改善换热器壳程进口未充分发展段的作用,相同工况下通过优化变角度螺旋折流板α角,可使换热器壳程传热系数增加8.9%—9.1%,壳程压力损失增加5.8%—6.9%,综合性能增加6.6%—6.9%。计算结果为改进换热器螺旋折流板结构、强化换热器传热提供了理论依据。     

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。     

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。     

折流板间距对六分螺旋折流板换热器壳程传热性能的影响

通过fluent软件在相同的进口速度、进口温度和换热管壁面温度下对不同折流板间距的六分螺旋折流板换热器模型进行壳程性能模拟,对折流板间距为50,55,60,65,70 mm且螺旋角都为10°的换热器的压降、传热系数和综合性能进行对比分析,最后通过JF因子来比较分析其壳程综合性能。研究结果表明：六分式螺旋折流板换热器的压降值随着折流板间距的增大而减小;传热系数随着折流板间距的增大而减小;综合性能随着折流板间距增大而增大。通过对JF因子的比较分析发现折流板间距为70 mm的六分螺旋折流板换热器的性能最优。     

新型六分扇形螺旋折流板换热器壳程传热及流动特性

针对现有四分螺旋折流板换热器中心区域漏流明显的特征,提出了一种新型的六分扇形螺旋折流板换热器。建立了六分扇形螺旋折流板换热器的三维物理模型,应用Ansys CFX软件对其壳程流动与传热特性进行数值模拟,分析了不同螺旋角(10°、20°、30°、40°)和不同工况下六分扇形螺旋折流板换热器的壳侧性能,并与传统的弓形折流板换热器作对比。结果表明,六分扇形螺旋折流板可以显著减少三角区漏流现象的发生,壳程流体旋流特性较好。随着螺旋角的增大,壳侧速度场与温度场分布更加均匀,综合换热性能逐步提高。     

交错螺旋折流板管壳式换热器壳侧传热与阻力性能

对交错搭接螺旋折流板换热器壳侧的流动与传热性能进行了实验研究,着重研究了内插假管及不同螺旋角度对壳程传热和阻力的影响,并与传统弓形折流板换热器进行了对比.结果表明,假管的存在反而使传热综合性能下降,同时,在相同的壳侧流量下,螺旋折流板换热器的壳程阻力和壳侧传热系数均随螺旋角的增大而减少,且小于同样条件下弓形折流板换热器的相应值.与弓形折流板换热器相比,螺旋折流板换热器的特点是单位压降下的壳侧传热系数高.     

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。     

螺旋折流板管壳式换热器壳程传热性能及压降的研究

对螺旋折流板换热器和传统的弓形折流板换热器进行了壳程传热性能和壳程的阻力的对比,同时通过实验方法对30°、40°螺旋角的螺旋折流板换热器进行了壳程传热性能和壳程阻力的研究,得出螺旋折流板换热器的螺旋流动强化了传热,螺旋折流板换热器的壳程阻力比弓形折流板换热器的小。     

U管换热器折流板开孔的综合性能研究

为了解决传统弓形折流板换热器壳侧存在流动死区、流动阻力大、传热效率低等问题,对折流板进行开孔,采用数值模拟的方法,研究开孔折流板结构对U型列管式换热器壳程流体流动、传热及流阻性能的影响。研究结果表明,折流板开孔后,U管换热器壳程流动死区明显减少,壳程流体的传热系数和场协同数随着开孔率的增加都是先增加后减小,并且在开孔率为a=0.242时均达到最大值。折流板开孔前后壳程总体压降变化<4.3%,当开孔率为a=0.177时壳程的压降最小。在折流板开孔率为a=0.242时,U管换热器综合性能最佳。本研究可为U管换热器弓形折流板开孔提供优化依据,为提高U管换热器的综合性能提供参考和借鉴。     

螺旋叶片折流板高效换热器性能研究

对比换热器壳程的传热和压降性能进行了5组参数下螺旋叶片折流板换热器传热性能试验,对其中一组螺旋角16°、折流板间距200螺旋叶片折流板换热器试验数据进行回归计算,获得其壳程传热系数和压力降的经验计算公式。