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。     

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.     

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。     

一种新型连续螺旋折流板管壳式汽车空调回热器

带有气-液回热器的空调制冷系统已经被广泛使用,对相同几何尺寸的传统管壳式汽车空调回热器和新型连续螺旋折流板式回热器进行对比性的数值模拟研究。结果表明：以制冷剂R404A为工质,在相同质量流量下,回热器整体换热量提高32.2%,总传热系数提高41.7%;壳侧为制冷剂液体,壳侧平均传热系数提高3.5倍,同时壳侧压损也提高11倍;管侧为制冷剂气体,管侧平均传热系数和压损几乎不变。换热器整体回热效率从0.21提高到0.29,提高了38.1%。     

单螺旋和双螺旋折流板换热器性能的研究

为了研究双螺旋结构对螺旋折流板换热器性能的影响及其与单螺旋结构的比较,利用热态试验和数值模拟方法,研究了四分之一扇形和三分之一扇形螺旋折流板换热器单、双螺旋结构的壳程传热和阻力性能.热态试验结果表明,单、双螺旋结构的壳程传热系数和压力损失均随流量的增大而提高.在相同流量下,双螺旋结构的壳程传热系数高于单螺旋结构,同时其壳程压力损失也有所增大.但随着流量的增加,双螺旋结构对应的单位压降下的传热性能与单螺旋基本一致.这说明双螺旋结构可以提高壳程传热性能,同时不会影响换热器的综合性能.因此在流体输送动力允许的条件下,双螺旋结构有利于设备处理能力的提高.数值模拟结果表明,由于折流板数量是单螺旋结构的两倍,因此双螺旋结构对壳程流体具有更强的导流作用,流体的分布更加均匀,且呈现出更加强烈的旋转运动.     

Experimental performance comparison of shell-side heat transfer for shell-and-tube heat exchangers with middle-overlapped helical baffles and segmental baffles

Presented in this paper are experimental test and comparison for several shell-and-tube heat exchangers, one with segmental baffles and four with helical baffles at helix angles of 20^°, 30^°, 40^° and 50^°, respectively. The results show that, based on the same shell-side flow rate, the heat transfer coefficient of the heat exchanger with helical baffles is lower than that of the heat exchanger with segmental baffles while the shell-side pressured drop of the former is even much lower than that of the later. Further enhancement techniques should be incorporated in order to enhance shell-side heat transfer based on the same flow rate. The comparison of heat transfer coefficient per unit pressure-drop (and pumping power) versus shell-side volume flow rate shows that (1) the heat exchanger with helical baffles have significant performance advantage over the heat exchanger with segmental baffles; (2) for the same shell inner diameter, the performance of heat exchanger with helical baffles with 30° helix angle is better than that of 20°, and the performance of 40° helix angle is better than that of 50° helix angle. The heat exchanger with helical baffles of 40° angle shows the best performance among the five heat exchangers tested.     

周向重叠三分螺旋折流板换热器壳侧传热性能

探析了周向重叠三分螺旋折流板换热器高效强化传热性能的主要机理,周向重叠三分螺旋折流板换热器除了具备螺旋折流板换热器的一般特点外,还同时具有适合正三角形布管方案和防相邻折流板之间短路的功能;指出周向重叠方案相邻折流板连接处三角区内的一排管束可以有效抑制因上下游通道的压差引起的逆向泄漏;介绍了倾斜角为20°、24°、28°和32°的单头螺旋、32°双头螺旋周向重叠三分螺旋折流板换热器和弓形折流板换热器的试验结果,表明试验范围内的最佳方案是倾斜角20°方案,其平均壳侧传热系数、压降和综合指标(h_o/Δp_o)与弓形折流板换热器的数值之比分别为1.122、0.566和2.035。     

聚丙烯中空纤维换热器的数值模拟

由于具有抗腐蚀和结垢的优点,中空纤维换热器在低温下的应用受到关注。为了提高中空纤维换热器的换热效率,以在换热器的壳程增加弓形折流挡板的方式对中空纤维换热器的结构进行了优化研究。利用Gambit 2.4软件,建立了管壳式中空纤维换热器模型;利用Fluent 6.3软件,进行有限体积分析计算。结果表明：数值模拟得到的换热器总传热系数和壳程压降与实验值的误差分别小于8%和6%。通过对比分析发现,在模拟范围内增加弓形折流挡板以后中空纤维换热器的总换热系数提高了21%左右,换热器壳程热阻占总热阻的比例从59%~70%降低到了46%~57%,换热器的壳程压降提高了约12%,但是壳程换热系数与壳程压降的比也明显升高。加弓形折流挡板的中空纤维换热器比无折流挡板的换热器具有更好的换热效率。     

Design and optimization of heat exchangers with helical baffles

The hydrodynamics and heat transfer characteristics of a heat exchanger with single-helical baffles are studied experimentally as well as numerically. A heat exchanger with two-layer helical baffles is designed by using computational fluid dynamics (CFD) method. The comparisons of the performance of three heat exchangers with single-segment baffles, single-helical baffles and two-layer helical baffles, respectively, are presented in the paper. The experiment is carried out in counter-current flow pattern with hot oil in shell side and cold water in tube side. Overall heat transfer coefficients are calculated and heat transfer coefficients of shell side are determined by Wilson plots technique. It shows that the heat exchangers with helical baffles have higher heat transfer coefficient to the same pressure drop than that of the heat exchanger with segmental baffles based on the present numerical results, and the configuration of the two-layer helical baffles has better integrated performance than that of the single-helical baffles.