液化天然气绕管式换热器壳侧混合工质流动及传热特性

绕管式换热器壳侧的流动及传热特性对大型液化天然气/浮式液化天然气装备设计和优化具有重要意义。本文建立了两相流动沸腾数值模型以预测壳侧流型、压降及其传热效果。通过耦合VOF模型、相变传质模型和表面张力模型,探究了不同质流密度、干度等因素对壳侧流动传热特性的影响,并通过绕管式换热器流动换热实验平台进行了实验验证,证明了模拟所得规律与实验结果有良好的吻合性。结果表明：压降随干度的增加而增加;传热系数随干度的增加有所减小;壳侧制冷剂在不同干度下主要呈现柱状流、滴状流、气状流等流型。本研究为设计和优化绕管式换热器提供了理论基础。     

LNG绕管式换热器壳侧降膜沸腾数值模拟研究

使用ANSYS Fluent商用软件下的VOF模型,对天然气液化工艺中所用的绕管式换热器壳侧降膜沸腾过程进行了数值模拟。结果表明,当壳侧入口干度x ≤ 0.10时,VOF模型能较好地模拟壳侧沸腾换热现象,准确地预测出沸腾换热系数与冷剂质量流率间的关系。降膜流状态下,汽、液相流速较低,摩擦压降较小,换热管壁面基本被液膜覆盖,液相冷剂在受热壁面汽化后进入壳侧流道,流道内以汽相为主。壳侧既有竖直向下的主流运动,又有较为微弱的螺旋环流,同时大量的汽相将在壳侧顶部涡旋滞留。     

LNG绕管式换热器壳侧换热特性研究

以绕管式换热器为研究对象,调研了国内外关于绕管式换热器的最新研究进展,总结理论以及实验研究方法;对绕管式换热器换热性能进行数值模拟,模拟不同质量流量、不同倾斜角度、不同换热管直径、不同换热管间距工况下绕管式换热器壳侧的流动换热。     

液氢缩比贮箱蒸发特性数值模拟及实验验证

地面缩比贮箱用来模拟箭载液氢贮箱热物理过程及运行特性,包括筒段和壳段,壳段用于支撑筒段。筒段和部分壳段使用泡沫绝热,壳段结构部分裸露在环境中,成为液氢贮箱的主要漏热源。基于计算流体力学方法数值研究了液氢缩比贮箱蒸发特性,构建了基于VOF两相流模型以及Level-set界面跟踪方法的贮箱两相氢流动和相变传热传质数学框架,其中气液界面传质率基于Lee模型计算。框架中的系数、边界条件等作如下考虑:Lee模型中的液化/蒸发系数通过与实验数据对比获得;通过理论分析低温面有/无泡沫保温层的结冰特性,对暴露在环境的泡沫和铝壳表面施加对流换热或常热流边界条件;当贮箱压力达到约2个大气压(0.2 MPa)时,安全阀打开放气保持内部压力不变,基于自定义函数方法模拟阀门开闭实现控制贮箱压力的目的。与实验测量的液位下降速率和气相温度非稳态变化对比表明,构建的数值模型能够较好地模拟液氢贮箱自增压过程的复杂流动、相变传热传质特性。为模拟真实箭载液氢贮箱停放阶段的热物理过程打下基础。     

液氢缩比贮箱蒸发特性数值模拟及实验验证

地面缩比贮箱用来模拟箭载液氢贮箱热物理过程及运行特性，包括筒段和壳段，壳段用于支撑筒段。筒段和部分壳段使用泡沫绝热，壳段结构部分裸露在环境中，成为液氢贮箱的主要漏热源。基于计算流体力学方法数值研究了液氢缩比贮箱蒸发特性，构建了基于VOF两相流模型以及Level-set界面跟踪方法的贮箱两相氢流动和相变传热传质数学框架，其中气液界面传质率基于Lee模型计算。框架中的系数、边界条件等作如下考虑：Lee模型中的液化/蒸发系数通过与实验数据对比获得；通过理论分析低温面有/无泡沫保温层的结冰特性，对暴露在环境的泡沫和铝壳表面施加对流换热或常热流边界条件；当贮箱压力达到约2个大气压(0.2 MPa)时，安全阀打开放气保持内部压力不变，基于自定义函数方法模拟阀门开闭实现控制贮箱压力的目的。与实验测量的液位下降速率和气相温度非稳态变化对比表明，构建的数值模型能够较好地模拟液氢贮箱自增压过程的复杂流动、相变传热传质特性。为模拟真实箭载液氢贮箱停放阶段的热物理过程打下基础。     

旋流降膜器有效蒸发面积研究

对降膜蒸发过程的强化主要是传热传质过程的强化,液膜与汽相的传热传质与液膜流动密切相关。提出的旋流降膜过程,主要增加液膜有效蒸发面积,强化对壁面边界层的扰动,进而强化蒸发过程。理论计算表明进口流量从0.5m3/h增加到2m3/h,有效蒸发面积从116cm2增加到4897cm2,实验结果与理论值趋势一致。     

大小孔折流板换热器壳程传热与阻力性能研究

为揭示大小孔折流板换热器壳侧传热的机理,对大小孔折流板换热器壳侧的传热和阻力特性进行了实验研究,并利用标准k-ε湍流模型进行了数值模拟。结果表明:不同进口雷诺数下,大小孔换热器壳程传热效率数值模拟值与实验值误差为7.9%,压降与实验值误差约为3.1%,数值计算模型用于大小孔折流板换热器的研究是正确可行的;流体经过小孔时,流体具有射流加速的效应,其局部传热系数和局部阻力系数都会增大,大小孔折流板换热器具有较高的壳程传热系数和较低的壳程压降。     

方肋微通道内流动沸腾的气泡动态与传热特性分析

为揭示方肋微通道热沉内流动沸腾的传热传质机理,本文基于耦合VOF方法与“饱和界面”相变模型对微通道内单个气泡绕流加热方肋的传热传质过程进行了数值研究。通过分析该过程中气泡增长速率与方肋壁面传热系数的变化,重点讨论了初始气泡体积和入口雷诺数Re对相变传热效率和流动结构的影响。结果表明：在气泡流经加热方肋过程中,气泡与方肋表面之间形成一层薄液膜,该薄液膜的相变蒸发极大强化方肋表面的换热效果,换热系数较相同条件下的单相流动提升6倍以上。此外液膜厚度随Re增大而变厚,液膜热阻相应增大,液膜蒸发对换热的促进作用随Re增大而降低。最后考察了气泡体积对方肋壁面换热的影响,结果表明：初始体积大的气泡具有更薄的液膜厚度及更大的蒸发面积,表现出更高的相变传热效率;而小气泡对壁面温度影响较小。     

LNG绕管式换热器壳侧换热特性研究

绕管式换热器广泛应用于大型陆上天然气液化厂,其换热特性是LNG液化能力的关键因素。通过调研国内外关于绕管式换热器的最新研究进展,对绕管式换热器换热性能进行数值模拟,模拟不同雷诺数工况下绕管式换热器壳侧的流动换热,比较不同入口条件和边界条件下数值模拟,得出了以下结论:低雷诺数时,Re对绕管式换热器的影响较为显著。当Re较大时,Re的作用减弱,并且倾斜工况比竖直工况下换热效果更好;壳侧入口干度越大时,对换热有削弱作用;倾斜工况比竖直工况下换热效果更好。     

错流降膜液体干燥剂除湿/再生传热传质数学模型及分析

分析了错流降膜液体干燥剂除湿及再生传热传质过程 ,建立了基于实际除湿系统的描述再生和除湿过程的数学模型 ,考虑到除湿过程中产生的热效应 ,以氯化钙溶液为除湿剂时 ,对气侧和液侧的传热传质系数进行了理论和数值求解 .计算结果表明 ,传热传质系数与气流流动状态、除湿剂的热物理性质等因素有关     

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。     

旋流网板换热器强化传热机理分析

主要分析了用于硫酸转化系统气体换热的旋流网板换热器中旋流片强化传热的机理,在实验研究基础上,应用周期性单元流道模型,数值模拟了空心环和旋流片支撑时的流体湍流流动和传热性能。结果表明,旋流片能迫使流体做强烈的三维螺旋运动,增强流体湍流度,同时使流体冲刷壁面,减薄边界层,其传热效果优于空心环。旋流片产生的自旋流具有高效低阻的优势,其强化传热综合性能优于空心环。     

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。     

两相热虹吸循环蒸发侧传热模型比较

两相热虹吸换热器在工业领域应用广泛,其制冷剂内侧的传热过程是热虹吸管设计的基础。然而由于沸腾传热和两相流动的复杂性,基于实验的经验传热模型各自差异很大且适用范围有限,给热虹吸管建模时传热模型选取带来了一定的困难。建立了稳态两相热虹吸循环分布式参数模型,利用5篇文献中4种工质共424个热虹吸管传热实验数据点,对热虹吸管中常用的7种传热模型进行比较评价,为模型选取提供参考。结果发现:Kandlikar流动沸腾模型和Rahmatollah拟合的热虹吸管传热模型模拟精度最好,推荐使用;Cooper池沸腾也有较好的精度,说明核态沸腾在热虹吸管传热中占主导地位; Gungor and Winterton、Liu and Winterton等常用的流动沸腾模型模拟精度差别不大,误差尚可接受;Imura池沸腾模型不适用于热虹吸管传热模拟。     

管壳式换热器壳程流体流动与换热的数值模拟

为了研究纵向多螺旋流管壳式换热器壳程流体湍流流动与换热的工作机理,文中利用FLUENT软件,在壳程流体流速设定值不断改变的情况下,对纵向多螺旋流管壳式换热器壳程湍流流动与换热进行了三维数值模拟。得到了多螺旋流管壳式换热器在不同的壳程流体流速下的温度场、速度场、质点迹线图、壳程传热膜系数分布图等。根据模拟得到的结果,从多个方面对纵向多螺旋流管壳式换热器壳程湍流流动与强化传热进行了探讨。模拟结果与实验结果进行了比较,二者误差约在±11%以内,吻合良好。     

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。     

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.     

椭圆管连续螺旋折流板换热器壳侧性能评价及三场协同分析

提出了一种新型的椭圆管连续螺旋折流板换热器。利用ANSYS CFX软件对壳侧流动与传热进行了数值模拟,并采用性能评价图及三场协同原理分析其壳侧性能。结果表明:在研究范围内,以椭圆管替代传统圆管管束后,在维持传热面积基本不变的前提下,壳侧压降降低72%～80%,综合换热性能提高32%～40%。应用性能评价图分析发现椭圆管在强化换热的同时也大大减小了压降。这是由于在相同的速度场与温度场协同前提下,椭圆管使速度场与压力场更好地协同,实现高效低阻强化传热的目的。