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。     

螺旋折流板菱形翅片管换热器的传热与流阻性能

引　言近年来的研究[1～ 6] 表明 ,螺旋折流板换热器的螺旋折流板使流体在壳侧呈连续柱塞状螺旋流动(即 plug流 ) ,不会出现传统折流板换热器内的流动“死区” ,并且由于旋流产生的涡与管束传热界面边界层相互作用 ,使湍流度大幅度增强 ,有利于提高壳侧传热膜系数 .PStehlik等[2 ] 对螺旋折流板换热器进行研究得出 ,相同条件下与传统弓形折流板换热器相比 ,换热器的传热系数提高 1 8倍 ,流动阻力降低 2 5 % .陈世醒等[6] 研究发现 ,对于水这样的低黏度流体 ,相同流量单位压降的壳程对流传热系数 ,螺旋折流板换热器约为普通弓形折流板换热器…     

三螺旋折流板换热器多流路通道流动与传热数值模拟

为了增加大螺旋角下单位长度换热管上螺旋折流板数量提高换热,提出三螺旋折流板导流结构,对设置三螺旋折流板后壳程流体的流动与传热进行了数值模拟,重点考察了Reynolds数Re=1391～4174时的壳程压降及对流传热系数,与设置单螺旋折流板的对比结果表明：三螺旋折流板换热器壳程对流传热系数高27.9%,JF因子高13.67%,综合传热性能更好。在此基础上运用耗散理论分析了三螺旋折流板采取不同螺旋角时对换热效率的影响,发现由传热引起的耗散率随Reynolds数变化规律与壳程对流传热系数随Reynolds数的变化规律类似,相同流量条件下螺旋角为64.8°的换热器耗散率最小。另外,中心换热管与壳壁附近换热管的传热系数比较结果显示,中心管热交换量均低于壳壁附近换热管热交换量。     

螺旋折流板换热器壳侧结构改进及模拟研究

改进了螺旋折流板换热器的结构,在常规结构的壳侧增加环形挡板。采用雷诺应力湍流模型,运用Fluent软件对螺旋折流板倾角为35°及其改进后的螺旋折流板换热器的流动与传热性能进行了数值模拟。模拟结果验证了RSM模型的可靠性,同时得出在低流量时,改进后的换热效果不如常规结构时的换热效果;而在壳程流体高流速的情况下,改进后换热器的压力降虽然增大,但总传热系数K和单位压降下的总传热系数K/Δp均得到提高,且流量越大,这种提高幅度越明显。     

网状孔板纵向流换热器壳程流体流动及换热特性的数值模拟

应用CFD软件对网状孔板换热器壳程流体流动及换热特性进行了数值模拟研究,揭示了网状孔板强化传热的机理,分析了孔板间距及开孔率对其换热、压降性能的影响,推导出网状孔板纵向流换热器壳程换热与流动的准数关系式. 结果表明,流体流过网状孔板产生射流及二次流现象,强化了壳程流体的传热;在Re=2300~6300范围内,网状孔板换热器比弓形折流板换热器的Nu数增大约50%,但压降比弓形折流板换热器高约2.5倍;在研究范围内,孔板间距减小、开孔率减小均能使壳程流体的Nu数及压降增大,且Re数越大,开孔率、折流板间距对Nu数及压降的影响越大;但随开孔率、折流板间距减小,流体压降增加的速度明显比Nu数快.     

螺旋折流板换热器流动与传热数值模拟

应用Fluent软件,建立了螺旋折流板换热器壳程通道的三维物理模型,采用RNGκ-ε模型,对壳程内的流动与传热进行了数值模拟,得到了换热器内的速度场和压力场分布情况。通过实验测试,将模拟结果与实验结果进行比较,并根据单位压降下的传热系数对比了螺旋折流板换热器与弓形折流板换热器的性能差异。     

螺旋折流板换热器数值模拟及入口结构改进研究

利用FLUENT软件,采用雷诺应力湍流模型模拟了不同流量下常规螺旋折流板换热器壳程的流动与传热性能,并用实验验证了模拟的可靠性。为了减少换热器壳侧入口处压降,对螺旋折流板换热器壳侧入口结构进行改进,将流体垂直流入壳体改为入口与壳体形成一定角度。对结构改进后的螺旋折流板换热器进行的数值模拟表明,采用倾斜入口结构时进口处压力降比采用垂直入口结构时低52%以上,且流量越大,这种降低幅度越明显。     

螺旋折流板换热器的国内外研究进展

针对螺旋折流板换热器的结构及折流板形式,简要介绍了国内外的研究进展,分析了壳侧流体的流动和换热机理,表明螺旋折流板结构是改善壳侧流体换热性能的有效措施。与传统的弓形折流板相比,螺旋折流板换热器的最大特点是单位压降下的壳侧换热系数高。     

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。     

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.     

三叶孔板换热器壳程流动及传热数值模拟

三叶孔板换热器是一种新型纵流换热器,广泛应用于核电装备领域。针对目前使用较多的壳程“单元流道”模型的局限性,建立了三叶孔板换热器壳程整体模型,包括进出口接管。采用商用软件FLUENT14.0及RNG k-ε湍流模型对壳程流体流动与传热进行了数值研究,分析了三叶孔板换热器壳程流动与传热特性。结果表明：流经第一块支撑板后,流体已充分发展,并且随着壳程结构周期性变化,传热与压降也呈现周期性变化。在支撑板附近,流体流速变大,形成射流,并且由于支撑板阻挡,在支撑板前面和尾部产生二次流,能有效冲刷管壁,减薄流动边界层,起到强化传热作用。     

管壳式换热器壳程高黏度流体的传热强化

传统的管壳式高黏度流体换热器采用光滑管设计制造,其壳程传热及流动效能低,壳程传热阻力占总热阻的80％以上,且流动阻力损失较大,提高壳程流体的传热膜系数和降低流动阻力是提高高黏度流体换热器效能的技术关键．     

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。     

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。     

基于正交试验的扭转流换热器壳程结构优化

建立扭转流管壳式换热器周期性全截面数值计算模型,采用对比实验验证了数值模拟方法及其结果的可靠性。影响扭转流换热器壳程流体换热和流阻性能的主要因素有相邻两组类梯形导流板间距、导流板宽度、导流板倾斜角度以及每组导流板的数量。设计正交试验,综合研究各参数对扭转流换热器壳程流体传热系数、压降及综合性能的影响,并对影响显著的结构参数进行了优化。结果表明,在研究参数范围内,影响扭转流换热器壳程流体综合性能的主次顺序为：相邻两组导流板间距>每组导流板数量>导流板倾斜角度>导流板宽度。综合性能最优的结构参数组合是相邻两组导流板间距为100mm、每组导流板个数为2、导流板倾斜角度为52.5°、导流板宽度为100mm,综合性能最高为114.9。研究结果为管壳式换热器壳程结构参数进行多目标优化提供了一种新方法,具有一定的指导意义。     

三维槽道的周期性层流流动与传热

应用数值模拟方法分析了以周期性方式布置不同节距比(PR=L/H)、倾角为45°挡板槽道的流动特性与传热特性。挡板在槽道上下壁面对齐布置高度比(BR=b/H)为0.2,以便在槽道内部形成一对沿流向的反向旋涡。数值模拟计算Reynolds数范围为100~1000,流体介质为空气。计算结果表明:布置斜置挡板后,在槽道内诱导产生了沿流向的旋涡流,且在测试段中旋涡流冲击槽道上下壁面和槽道一侧壁面,结果使得传热效率提高;分析了范围内平均Nusselt数比Nu/Nu₀、摩擦系数比f/f₀及传热增强系数η随节距比PR和Reynolds数的变化关系,并建立了相应的准则关系式;当挡板间节距比为0.5时,传热增强系数可达最大值3.0。     

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.     

翼型涡发生器对半圆形螺旋通道的换热强化机理

为考察不同形状和布置方式的翼型涡发生器强化半圆形截面螺旋通道的换热特性,对单一以及安装了jxjs、jxjk、sjjs和sjjk 4种涡发生器的螺旋通道内流动与换热特性进行了数值研究,数值模拟结果与实验结果吻合较好。结果表明,研究范围内涡发生器前后180°范围内的换热壁面平均Nusselt数与单一通道的相应值之比的平均值在1.044～1.074之间,流动阻力系数f/f₀在1.105～1.188之间。对传热效果而言,矩形翼优于三角形翼,对翼渐缩布置优于渐扩布置。涡发生器产生的纵向脱落涡旋改变了原有的二次流场结构,改善了速度场和温度场的协同性,强化了传热。安装jxjs和sjjs型涡发生器的复合二次流场分别为4涡和2个大涡结构,Re=8000时两者在通道内强化换热作用范围分别可达10.47和12.56倍翼高的距离。     

涡发生器与螺旋片强化不同曲率的壳侧传热

为考察涡发生器与螺旋片对不同曲率的套管式换热器壳侧的传热强化效果,在不同中径的壳侧安装了相同密度的螺旋片和三角翼型涡发生器。以空气为介质,在Re=680～16000范围内,采用实验和数值模拟方法研究了壳侧的传热和阻力特性,考察了不同曲率下复合强化的壳侧的综合性能,分析了传热强化机理。结果表明,曲率越大,壳侧传热系数越高,摩擦因数越大。对曲率分别为0.131、0.321和0.440的3种换热器壳侧,涡发生器将其传热系数平均提高了31.52%、20.83%和18.33%。小曲率和复合强化的壳侧综合性能更好。涡发生器改变了换热器壳侧的流场结构,提高了速度场和温度场之间的协同性,从而提高了换热器壳侧的传热效果。