绕管式换热器的结构形式分析及应用前景

介绍绕管式换热器的基本结构和性能特点,综述国内外绕管式换热器中绕管的结构发展状况,重点阐述了绕管的表面形态和缠绕方式,结合国内外学者的试验和模拟研究结果,说明不同绕管换热器的技术特性,并展望绕管式换热器的应用前景。     

两种型式绕管式换热器传热性能试验研究

Y型和K型绕管式换热器是管侧与壳侧的进出口结构不同的两种换热器,用试验方法对两种型式绕管式换热器进行了水和水蒸气的换热性能对比研究。试验中保持管侧蒸汽的体积流量不变,调节壳侧水的Re变化范围为2800~13000。试验结果表明,在试验范围内和相同Re条件下,Y型换热器具有更大的总传热系数、更低的壳侧压降、更高的壳侧对流换热系数,其最大值分别比K型大17.9%、低61%、高11.6%;以K型绕管式换热器为基准,Y型绕管式换热器的综合传热评价因子PEC在试验Re范围内均大于1,说明Y型绕管式换热器的综合传热性能始终优于K型绕管式换热器。     

折流板换热器壳程流体流动与传热特性数值模拟

根据流体动力学和计算传热学理论,建立了折流板管壳式换热器计算模型,运用CFD技术对换热器壳程流体的流动与传热问题进行了三维数值模拟,得到了不同壳程进口雷诺数Re条件下换热器壳程流体的流场和温度场。对数值模拟结果进行分析,以总传热系数h．壳程总压降△p以及单位压力损失下的传热系数h／Ap作为换热器性能的衡量标准,分析了不同折流板间距和不同折流板圆缺高度时管壳式换热器壳程总传热系数h、总压降△p以及h／Ap随壳程进口雷诺数的变化规律。结果表明：随着壳程进口流速的增大,换热器壳程总传热系数和总压降增大、h／Ap减小：在壳程流体流量不变的情况下,结合单位压力损失下的传热系数h／Ap,适当减小折流板间距或减小折流板圆缺高度。可提高换热器的换热性能。     

几何参数对绕管式换热器传热特性影响的数值研究

通过数值模拟的方法对绕管式换热器壳侧传热进行研究,重点研究了管径、径向比、缠绕角度、轴向比、盘绕圈数对传热性能的影响。结果表明:小的管径、小的径向比、大的轴向比对传热是有利的;缠绕角度、每层不同的圈数对传热的影响很小。     

横掠管束降膜流动和传热特性

为了明确绕管式换热器壳侧降膜流动特性对传热性能的影响,建立三维壳侧计算域,采用VOF模型,在干度工况范围为0.1～0.9,热流密度为1 275～8 000 W/m²,质量流率为120 kg/(m²·s)时,分析了乙烷在绕管式换热器壳侧降膜流动过程。结果表明：对于乙烷工质,流型依次为层状流、半环状流、液滴流。干度为0.3,热流密度为4 000 W/m²时为层状流向半环状流转化点;干度为0.6和0.7,热流密度4 000 W/m²时为半环状流向液滴流转化点;在层状流向半环状流及半环状流向液滴流转化点传热系数均下降。干度为0.1～0.2,传热系数与干度成正相关;干度为0.3～0.7,传热系数与干度成负相关;干度为0.8～0.9,传热系数随干度变化不明显;流型为层状流和半环状流时,热流密度与传热系数成正相关。流型为液滴流时,热流密度与传热系数成负相关。     

多股流绕管换热器管板结构分析

多股流绕管式换热器结构特殊,目前国内外尚无这种结构的管板计算标准。分别按照GB 151和ANSYS对此管板结构进行了规范计算与有限元应力分析,利用ANSYS建立了管板结构分析有限元模型,分析了管板的应力场,明确了管板的应力分布及最大应力部位,根据应力分析结果对管板厚度进行了优化,达到了既减轻设备重量,又节约材料、降低成本的目的。     

折流板换热器壳程流体流动与传热特性数值模拟

根据流体动力学和计算传热学理论,建立了折流板管壳式换热器计算模型,运用CFD技术对换热器壳程流体的流动与传热问题进行了三维数值模拟,得到了不同壳程进口雷诺数Re条件下换热器壳程流体的流场和温度场。对数值模拟结果进行分析,以总传热系数h,壳程总压降Δp以及单位压力损失下的传热系数h/Δp作为换热器性能的衡量标准,分析了不同折流板间距和不同折流板圆缺高度时管壳式换热器壳程总传热系数h、总压降Δp以及h/Δp随壳程进口雷诺数的变化规律。结果表明:随着壳程进口流速的增大,换热器壳程总传热系数和总压降增大、h/Δp减小;在壳程流体流量不变的情况下,结合单位压力损失下的传热系数h/Δp,适当减小折流板间距或减小折流板圆缺高度,可提高换热器的换热性能。     

密封条对六分螺旋折流板换热器壳程侧换热影响

针对两种不同剪裁方式(60°、90°)布置的六分螺旋折流板,建立无密封条和存在密封条的换热器壳程侧模型;采用CFD分析软件借助数值模拟的方法,研究密封条及密封条结构改变对换热器壳程侧流动和传热的影响。结果表明:密封条的存在能够有效的提高壳程侧的换热系数,对90°扇形剪裁方式布置的六分螺旋折流板换热器壳程的影响较60°明显;在壳程侧换热系数增加的同时,壳程压降也随之增大。密封条宽度与间隙比值越大,壳程侧的换热系数越高;当比值为94.1%时,壳程单位压降换热系数较无密封条时增加(8.05~17.8)%。     

低温混合工质大质流密度流动传热试验系统北大核心CSCD

针对目前大质流密度条件绕管式换热器试验数据缺乏的现状,本研究搭建了可实现低温混合工质大质流密度条件试验工况控制和数据测试需求的试验系统。试验系统包括压缩机、冷却塔、冷水和冷冻机组、低温液化换热器等关键装备,可进行混合工质的压缩-冷却液化-相变传热流动控制和可视化等测试研究。试验平台可实现质量流量密度在20~140 kg/(m^(2)·s)范围内测试,系统温度误差为±0.1℃,压力误差小于10 kPa,压降误差小于2 kPa,干度误差小于1.4%。在预冷段试验区域干度为0.4,质流密度120 kg/(m^(2)·s)下实现了平稳运行,获得了稳定循环数据验证。     

板壳式换热器壳程传热性能分析

针对一种波纹板式换热器,改变其板束放置方式和折流板切口方向建立4种不同结构实验模型。利用Fluent分析壳程流体传热性能,得出板束竖直放置—折流板水平切口模型换热器压降ΔP最小;忽略压降损失时板束竖直放置—折流板垂直切口模型换热器的对流传热系数ho最高;在综合考虑的情况下,前者ho/ΔP最高,传热性能比其他模型增高40%以上,该实验对同类产品设计研究可提供理论参考。     

倾斜折流栅式换热器壳程热力特性研究

为提升常规斜向流换热器的壳程传热性能,提出了一种倾斜折流栅式换热器。采用CFD分析软件FLUENT,标准k-ε模型方程对两种斜向流换热器的壳程热力特性进行了数值研究,并运用场协同原理分析了斜向流换热器的强化传热机理。结果表明:随着折流栅倾斜角的降低,壳程传热系数、压降、综合性能升高,但随着倾斜角的继续降低,如在(60~70)°范围内,壳程传热系数和综合性能基本保持不变;倾斜折流栅式换热器能够提高壳程局部纵向流场的流速,增加壳程流体整体的斜向流程度和速度场与温度场的协同性,强化换热。倾斜角为70°时,倾斜折流栅式换热器较常规斜向流换热器壳程传热系数和综合性能分别提高(7.54~7.66)%和(6.29~6.45)%。研究结果为斜向流换热器的结构优化和推广应用提供了理论依据。     

耦合抽-灌井式埋地换热系统咸水层传热过程研究北大核心CSCD

基于多孔介质传热、传质控制方程与线热源理论,以耦合抽-灌井式埋管换热系统为研究对象,建立埋地换热器及咸水层水-热-盐运移耦合数学模型。选用有限元计算软件FEFLOW6.1针对不同运行模式下咸水层温度场演变规律与传热过程开展模拟研究。计算结果得到,单独使用埋管换热系统,运行8年后观测井2所在咸水层温度上升1.4℃;采用耦合式系统,相同观测点未出现升温趋势,有效避免"热堆积"发生。在抽-灌水量不变条件下,采用去离子水回灌时观测井1所在中粉砂咸水层达西流速高于原水回灌工况54%。研究表明,回灌溶液盐度降低是诱导地下水渗流速度上升,对流换热与热弥散效应增强的主要作用机制。     

大小孔折流板换热器壳程场协同分析

根据大小孔折流板换热器壳程结构和流动特点,利用有限元软件ANSYS-Fluent建立了大小孔折流板换热器周期性单元流道模型,通过对该模型的分析,揭示了大小孔折流板换热器内部流道的压力、温度、速度和角度场的分布规律。从角度场的分析得知：随着雷诺数的增大,大小孔折流板换热器壳程角度场的平均协同角逐渐降低,其传热效果越好;而当大孔直径和板间距较小时,大小孔折流板换热器壳程的场协同度较好,具有更好的传热性能。     

杈式折流栅对管壳式换热器壳程性能的影响

杈式折流栅是一种以斜向流和射流混合流动来强化管壳式换热器性能的新型管束支撑结构,用来代替杆式折流栅,可以弥补低雷诺数下,折流杆换热器换热效果的不足,并有效提高传热效率.依据计算流体力学原理和周期性数值模型,研究了杈式折流栅换热器的壳程流体流态、以及结构参数对换热器壳程流动传热的影响,得出了可用于指导工程设计的换热器传热...     

地埋管换热器传热特性模拟与试验研究

利用土壤源热泵试验系统,进行不同埋管间距下夏季连续运行试验,用FLUENT软件建立竖直U型地埋管换热器与土壤间的传热模型,对不同管间距的U型地埋管周围土壤温度场和地埋管换热器传热特性进行了数值模拟,将数值模拟结果与试验数据进行对比分析。通过分析,得到了不同埋管间距对土壤源热泵系统性能的影响大小,以及地埋管周围土壤温度场的变化对地埋管换热器换热性能影响规律,验证了所建立的模型和所用模拟条件的正确性。     

制冷用水平管降膜蒸发器管束换热特性数值模拟

采用分布参数法建立水平管降膜蒸发器管束换热模型,模拟计算了水平管降膜蒸发器不同管程布置下换热管干斑分布和平均降膜因子,并进行比较分析;并在下进上出的管程布置形式下研究了制冷剂流量、管间距、满液区排管数对蒸发器换热性能的影响。本文的研究为水平管降膜蒸发器的设计提供理论指导,促进其在制冷空调领域的推广应用。     

相变材料回填地埋管换热器热响应特性的数值 模拟及试验验证

为了探讨相变对PCM回填地埋管换热器热响应特性的影响,建立了PCM回填地埋管换热器相变传热数学模型,并利用FLUENT软件对其进行了数值求解,分析了相变过程及PCM物性参数对地埋管换热器周围土壤温度扩散与恢复机理的影响,结果表明:采用PCM回填可有效缓解钻孔外土壤温度变化幅度,提高土壤温度恢复率,减小土壤热影响半径;PCM导热系数越高,温度上升/下降幅度越大,热影响范围也越大,恢复也变慢。从缓解土壤温度变化幅度的角度,夏冬季应分别采用相变温度低与高、且相变潜热大的PCM,但就提高土壤温度恢复率而言,夏冬季均应采用相变温度低、且相变潜热小的PCM。试验验证表明:所建模型可以用来模拟PCM回填地埋管换热器的换热过程,其预测最大相对误差在10%以内。     

双给料口结构对旋流器流场特性和分级性能的影响北大核心CSCD

针对传统单给料口水力旋流器内部流场不稳定、分级精度差的问题,考察了对称双给料口结构对水力旋流器内部流场特性和分级性能的影响。内部流场结果表明,与传统单给料口结构相比,采用对称双给料口结构时,流场切向速度、轴向速度和压强均增大,中心空气柱直径增大,空气柱对称性增强,内旋流与外旋流的交界面LZVV形状更加规则,旋流体内部湍流强度降低,内部流场的稳定性增强。分级性能研究结果表明,采用对称双给料口结构时,细颗粒在沉砂中的分配率降低,粗颗粒(d=12.5μm)在沉砂中的分配率提高了7.87%,不同粒度固体颗粒沿径向规则分布,颗粒错配现象缓解,分级精度提高。研究结果可为水力旋流器的结构优化设计提供理论指导。