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。     

帘式折流片换热器壳程流体流动和传热周期性充分发展区域长度界定研究

为了能清晰地了解帘式折流片换热器的壳程特性,采用数值模拟的方法对帘式折流片换热器三维实体模型壳程流体流动和传热性能进行研究。分别从压力梯度、无因次温度、速度三个主要特征,分析具有不同壳程流体流量,不同折流栅装配方式下帘式折流片换热器壳程流体流动与传热周期性充分发展区域的长度范围。在所研究范围内得出当折流栅同向装配时,流体在翻过第三块折流栅后到倒数第一块折流栅之间,流体的流动和传热为周期性充分发展状态;折流栅对称装配时,流体在翻过第二块折流栅后到倒数第一块折流栅之间为周期性充分发展段。帘式折流片换热器几何结构一定的情况下,周期性充分发展区域的长度与壳程流体流量的变化无关。     

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。     

帘式折流片换热器壳程热力特性的数值研究

以帘式折流片组成的管束支撑结构为基础,针对正弦型和三角型2种异型帘式折流片结构,分别分析在其支撑下壳程流体相应的传热系数和压降,并将结果与普通型帘式折流片进行对比,并利用场协同理论进一步分析了不同帘式折流片结构对换热器壳程速度场和温度场的强化作用。结果表明:正弦型和三角型帘式折流片式换热器壳程流体的换热系数和压降均高于普通型帘式折流片换热器;正弦型帘式折流片能够有效地增强速度场和温度场的协同性。     

帘式折流片换热器壳程流体流动死区

对帘式折流片换热器壳程流体流动死区大小及分布规律进行了数值模拟和实验研究。研究表明,帘式折流片换热器壳程流体流动死区大小随着Re的增加而降低;流动死区的大小和分布规律受折流栅装配方式的影响,折流栅同向装配时壳程死区小于折流栅对称装配,当壳程Re分别为5000、10000和15000时,折流栅同向装配时的帘式折流片换热器壳程死区分别为折流栅对称装配时的50.5%、51.6%、43.0%。     

帘式折流片换热器壳程流体流动死区

对帘式折流片换热器壳程流体流动死区大小及分布规律进行了数值模拟和实验研究。研究表明,帘式折流片换热器壳程流体流动死区大小随着Re的增加而降低;流动死区的大小和分布规律受折流栅装配方式的影响,折流栅同向装配时壳程死区小于折流栅对称装配,当壳程Re分别为5000、10000和15000时,折流栅同向装配时的帘式折流片换热器壳程死区分别为折流栅对称装配时的50.5%、51.6%、43.0%。     

折流杆气—气换热器的试制和试用

一、概况折流杆换热器是把传统的折流板换热器中的折流板改成秆式折流支承结构。其壳程流体的流动由折流式改变为流体经支承杆网格造成局部湍动的平行流方式。因此有以下四方面的特点: (1)强化了管外壳程传热; (2)传热面积得到充分利用,减少了死区; (3)防止流体引起的振动; (4)大大减少了阻力降。以上第三和第四个优点,使该换热器的流体壳程流速可比普通的折流板式列管换热器大     

折流杆气-气换热器

该换热器是华南工学院在研究成功强化换热技术的基础上与桂林化工机械厂联合研制开发的。这种换热器把传统的折流板换热器中的折流板改成了杆式折流支承结构,其壳程流体的流动由折流式变为流体经支承杆网格造成局部湍动的平流式。因此,其特点是强化了管外壳程传热;传热面积得到了充分利用,减少了死区;防止了流体引起的振动;减少了阻力降。     

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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

螺旋叶片折流板换热器的壳程传热性能研究

为研究螺旋叶片折流板换热器壳程传热性能,通过FLUENT数值模拟,对螺旋叶片折流板换热器壳程的压力场、温度场和速度场进行了分析。比较了换热器性能参数的模拟值和实验值,各性能参数模拟值和实验值的比值趋势基本一致。研究结果表明,模拟范围内,折流板间距越小、螺旋角度越大的情况下,螺旋叶片折流板换热器的综合性能最优。     

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.     

螺旋套管换热器壳程流体湍流换热热力性能数值研究

利用计算流体力学软件对内管为螺纹管的螺旋套管换热器壳程流体的湍流流动和换热性能进行了数值模拟。通过与内管为光管的研究结果对比,揭示了内管为螺纹管时壳程流体的速度场和温度场分布,研究了雷诺数、槽高对壳程流体湍流流动及换热性能的影响,并利用场协同原理初步揭示了螺纹复合螺旋流动强化流体换热的机理。结果表明,螺纹内管的螺纹凸起对螺旋套管换热器壳程流体的扰流和导流作用明显,在研究范围内(Re=10 000~24 000),内管为螺纹管的螺旋套管换热器壳程流体的传热效率较内管为光管的模型最大提高了22.1%;结构参数相同时,随着Re增大,螺旋套管换热器壳程流体的Nu逐渐增大,阻力系数f逐渐减小,综合评价因子Ψ逐渐减小,在研究范围内,Nu最大增加了85.6,f最大减少了0.008,Ψ从1.35减小至1.18。当Re一定时,当量高度h'增大,f逐渐增大,Nu先增大后减小。由场协同原理分析得出,h'=0.220时,在螺纹凸起扰流和导流的作用下壳程流体的温度场与速度场协同性能较好,综合评价因子Ψ最大,螺纹的优化当量高度h'宜取约0.220。     

一种双扭转流换热器壳程传热性能与机理分析

双扭转流换热器是一种新型管壳式换热器,分别建立扭转流换热器和新型双扭转流换热器的周期全截面计算模型,利用计算流体力学（CFD）方法对壳体侧的传热系数、流动阻力和综合性能进行了数值研究。结果表明：在壳程同等质量流量下,双扭转流换热器传热系数与类梯形折流板换热器相比降低24.4%~27.9%,压降降低63.3%~71.0%,综合性能增加1.2%~4.1%。通过场协同原理对其传热和降阻机理进行了分析,表明双扭转流换热器速度与压力梯度协同较好,扭转流换热器速度与温度梯度协同性较好。对扭转流换热器进行冷模实验,采用激光多普勒测速仪（LDV）对线上速度进行测量,验证了仿真方法和结果的正确性和准确性。研究模型与结论可为换热器的结构开发与性能研究提供参考。     

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。