铝制双波纹板束传热与流动的数值模拟和试验研究

本文利用FLUENT软件对一种用于气-气换热的铝制全焊式双波纹板式换热器的板束传热与流动性能进行数值模拟。分别模拟了304不锈钢制和5052铝合金制双波纹板束模型在不同流速下的传热情况,进行对比分析;对提出的优化模型即"1/4周期平行叠放"模型在不同流速下的传热情况进行数值模拟,并与对顶模型对比。同时对铝制双波纹板式换热器进行传热试验,验证数值模拟的合理性。研究结果表明:5052铝合金可以替代不锈钢作为板式换热器板片的制造材料,以节约制造成本、减轻换热器质量;"1/4周期平行叠放"模型可以增加对冷热介质流动的扰动程度,增大流体湍流强度;其换热系数是热侧对顶模型板束的1.35倍,热侧压降是其1.4倍。     

基于计算流体力学数值模拟的板式换热器传热与流动分析及波纹参数优化

基于计算流体力学(Computational fluid dynamics,CFD)方法对板式换热器整板和局部计算域进行数值模拟。建立1 000mm数量级冷热双流道的人字形板式换热器整板片的流动及换热计算模型,利用FLUENT软件对集中供暖系统中的水-水换热工况进行模拟研究,分析冷热流体在换热器中的流动形态以及换热情况;与此同时建立200 mm×200 mm冷热双流道的局部计算域模型,对不同波纹倾角β,波纹截距λ的板片单元进行模拟分析,根据波纹参数对板式换热器的流动及换热情况的影响优化波纹参数。结果表明,整板LPM77板片流道中流体分布十分不均,且人字形尖点和流道边缘处流速较低,湍流程度较小,换热效果较差;随着波纹倾角β增大,板片换热能力先增后减,极值点在β等于60°左右,流体的压降同样先增后减,然而压降的最大值点出现在60°之后。综合考虑换热情况以及流动压降,一般工况下波纹倾角β选择在60°左右较为适宜;随波纹截距λ增大,流体的换热性能以及流动压降均呈现降低趋势,波纹截距λ对压降的影响程度大于波纹倾角β对其的影响。     

新型水-汽板式换热器的冷凝除湿性能研究

冷凝除湿在废水处理和石油化工等行业中应用较多,板式换热器因具有结构紧凑、单位体积内换热面积大、传热系数高等优点,逐渐在冷凝除湿环节得到应用。但由于板式换热器中流体流动和相变的复杂性,对其研究、计算和分析比较困难。利用试验和CFD数值模拟方法,研究了新型水-汽换热器不同结构参数的换热板对冷凝除湿性能的影响。结果表明,随着换热板波纹倾角的增大,流体边界层分离越来越明显,湿空气含湿量减小;随着换热板波纹高度的增大,流动死区减少,流体分布越来越均匀,冷凝除湿效果增强;随着换热板波纹间距的增大,换热板换热面积减小,扰流程度大大降低,湿空气冷凝除湿效果变差,但压降有效降低。     

梯形波纹板式换热器换热性能试验研究

以水-水为换热介质,采用某型号梯形波纹板式换热器进行换热性能试验研究,通过流体流动状态、温度变化、压降和总换热系数对两种操作方式进行评价。结果表明,同时增加冷热流体流速的方式能够提升湍流度,并且可以将换热效率提高16. 35%,但是该操作方式升温效果较差,而且当冷热流体流速比值大于1时压降大、能耗也大。同时,通过等流速法计算获得换热准则方程和阻力准则方程,并计算获得梯形波纹板冷热流体的对流换热系数,结果表明,当2 000 相似文献   

新型人字形组合板式换热器及导流区的数值模拟

基于计算流体动力学(Computational fluid dynamics,CFD)方法,运用SOLIDWORKS三维建模软件和FLUENT软件对一种新型人字形组合板式换热器及四种新型导流区进行研究。分析了不同设计参数的新型人字形组合板式换热器换热系数和压降,得到优化后的设计参数;从流型、压降、出口流体均匀分配程度等方面对市面上常见的2种导流区进行分析,在此基础上提出4种新型导流区,通过数值模拟研究其导流效果。结果发现:新型人字形组合板式换热器J型板较市面上常见的M型板的综合性能更优。当组合板中大波纹倾角板片(②板片)的倾角为60°,波纹截距为18 mm、16 mm或者14 mm中某一值时,随着组合板中小波纹倾角板片(①板片)波纹倾角增大,无论是冷流体还是热流体,表面传热系数和压降均增大。当①板片的波纹倾角为30°或40°,②板片的波纹截距变化对组合板片的性能影响不大;当1板片的波纹倾角为50°,②板片的波纹截距变化对组合板片的性能影响较大。导流区的设计对流体分布情况起主要影响作用。市面上常见的某种常规型导流区导流效果差,压降大,某公司M系列巧克力块型的导流区导流效果较好,压降小。4种新型导流区比常规型导流区的导流效果更好,压降介于常规型和巧克力块型之间,其中新型导流区Ⅲ的导流效果最好,压降很小。     

水产品解冻冷能回收利用污水换热器的研究

针对水产品解冻水中冷能回收利用存在的问题,根据解冻水的特性,开发研制了一种专门用于解冻水回收利用的换热器。通过比较各种换热器结构型式,选用了人字形波纹板型换热器。进行了换热性能与流动阻力分析,建立了波纹倾角、波纹高度、波纹间距与努塞尔数、压降的关系,得出换热效果最佳时的波纹倾角、波纹高度、波纹间距组合。利用CFD软件分析,验证了设计的换热器换热效率高,满足实际工程需要。     

栅板式换热器的传热性能研究

建立了栅板式换热器板内流体流动的二维物理模型,通过数值模拟和冲渣水试验,分析了回收余热的栅板式换热器的传热性能。模拟了板间距和入口流速对流动和流阻的影响;试验测试了栅板式换热器的压降,分析栅板式换热器传热和流阻特性,并拟合出其传热和压降准则关系式。     

板翅式冷却器结构参数优化与仿真

为了提高机油冷却器的散热效率从而降低机油温度以保证发动机润滑系统的可靠性,以波纹板式散热器为研究对象,采用遗传算法对波纹板的结构参数进行了目标优化,采用计算流体动力学的方法模拟了散热器内部的流场和温度场的分布情况,并对优化结果的有效性进行了模拟验证。仿真结果表明:波纹板的节距、高度、倾角对流体的流动和换热具有重要的影响;当波纹节距为13.7mm、波纹高度为5.2mm、波纹倾角为49.5°时散热器的工作性能最佳,并且随着雷诺数的增加,TPF的值先增大后减小。通过试验测试验证了遗传优化算法和CFD仿真结果的准确性,研究方法对波纹板式散热器的优化设计具有实际的意义。     

集中供热用非对称板式换热器流动换热的研究

非对称板式换热器流道截面相异的特性为集中供热一二次网流量差异下换热性能的优化提供了可能。通过数值模拟,研究了不同工况下人字形非对称板式换热器的波纹倾角β、节高比■/H对其传热系数和流动阻力的影响;以经济学费用现值PC为标识,对其综合性能进行评价。结果表明:波纹倾角β对不同节高比板片的影响并不相同,其对小节高比(■/H≤5)板片换热系数和阻力影响均较大,而大节高比(■/H≥6)对波纹倾角β敏感性较弱;当β≤60°时,大节高比板片具有较好的换热性能和较低的流动阻力,其经济性优势显著,可节省33%～61%的总投资费用;综合考虑设备性能和经济性,β=50°、■/H=6、7为合理的结构参数。     

铜翅片管热水器的特性研究

以铜翅片管换热器为研究对象,通过合理的简化模型,以相邻2片换热片(取半片)及其之间的烟气通道作为计算区域,利用流体力学软件CFX对烟气通道的流动状况和换热情况进行了数值模拟。研究了管径、翅片厚度和翅片间距对排烟温度的影响,结果表明随着管径和翅片间距的增大排烟温度升高,随着翅片厚度增大排烟温度降低,排烟温度的升高或降低将影响排烟损失的大小,从而影响热效率。该数值模拟结果对改进翅片结构以提高热效率有一定指导意义。     

双波纹板束传热与流动的数值模拟

应用数值分析Fluent软件对新开发的一种用于气—气换热的双波纹板管换热器板束的传热与流动进行数值模拟。板束叠放采用对顶和平行两种形式,分别模拟计算出不同流量和温度下两种模型的传热系数和湍流强度并进行对比分析。研究结果表明:同样条件下,热通道对顶叠放模型的换热系数是平行叠放的1.2倍,湍流强度比平行叠放模型提高了一倍;随着热侧流量和进口温度的不断升高,总换热系数逐渐增大,但其对冷侧对流系数和压降影响微小。     

热混合板式换热器换热阻力性能

为提高板式换热器对工况的适应能力,对两种不同倾角波纹板片组成的板式换热器进行研究。通过数值模拟,分析了热混合板式换热器单流道模型换热和阻力的情况,并结合场协同理论和火积耗散理论分析热混合板式换热器的综合性能。结果表明:随着入口Re的增大,压降和Nu逐渐上升,场协同数Fc逐渐降低。利用约束的平均协同角更能体现协同性随Re的变化规律。火积传递效率随Re的增大呈现震荡降低的趋势,硬板组合的传递效率要高于软板组合。在Re为1600时,Nu和压降随上壁面倾角βt的增大而增大,粘性耗散随着βt呈现先增大、后减小的趋势,且在上下倾角之和为100°时取得极大值。     

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。     

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。     

板式换热器波纹板深度在线检测方法研究

目前板式换热器波纹板深度的检测方式主要是人工检测,该检测方式的检测结果难以保障,相对于传统的接触式探针测量,研究设计了一套基于激光位移传感器的非接触式测量方式,根据不同的波纹板结构,设计出最佳的采集路径,采用自适应迭代中值滤波算法对采集数据进行降噪处理,降噪后的数据转换为可视化图像区域以及灰度图像,可直观高效地提取检测区域,用最小二乘法拟合波纹板垫片槽区域,利用统计学中的矩计算波纹深度参数,判断波纹板质量。软件上采用多线程设计,解决了采集数据与处理数据相互干扰的问题,提高了检测速度。经过大量现场测试表明,单点算法检测平均时间为40.932 6 s,宽波纹板片检测值与设计值比较,检测准确率达到99.3%,窄波纹板片检测准确率达到94.5%,该设计为板式换热器波纹板深度检测提供了一种自动方式,在检测速度和检测结果上优于人工检测,能够快速有效地检测出波纹板深度值,具有一定的实用价值。     

新型板式换热器导流区特性的数值模拟及场协同分析

增大总传热系数和减小压降是当前研究改善板式换热器性能主要关注的两个方向。为分析导流区结构对板式换热器传热、压降以及场协同关系的影响效果,建立两种板式换热器计算模型。利用计算流体力学(Computational fluid dynamics,CFD)软件对两种板式换热器模型内流体不同工况下的流动和传热特性进行数值模拟,对比分析了两种模型流道内的速度场、温度场和压力场以及各场间协同性,并利用强化换热综合性能指数(Performance evaluation criteria,PEC)进行评价。结果表明:新型导流区使板式换热器板间流体的速度场与温度场分布更均匀,压降阻力减少,其综合性能更优。同时,场协同理论分析也表明,新型导流区改善了速度与压力场的协同关系。该新型板式换热器导流区设计对于提高板式换热器性能具有指导意义。     

组合涡发生器在螺旋板式换热器上的强化传热研究

在螺旋板式换热器螺旋通道内设置三角翼和椭圆柱组合涡发生器,利用流体计算软件Fluent进行三维数值模拟。研究了Re为4000～7000内组合涡发生器对通道平均Nu和平均阻力系数f的影响,并应用场协同原理进行了分析。与只加装椭圆柱涡发生器的螺旋板式换热器进行对比,结果表明,纵向涡发生器产生的二次流能改善螺旋通道内的速度场与温度场的协同性,起到强化换热作用。在正三角形排列方式下,组合涡发生器通道的平均Nu比椭圆柱涡发生器的平均Nu增大8.7%,阻力因子f减小23.7%,强化换热的效果较好。     

开孔折流板对列管式换热器传热性能的影响研究

针对由传统弓形折流板结构带来的壳程流动死区,从而引起的流动阻力大、传热效率低等问题,本文对折流板进行开孔,通过数值模拟的方法研究开孔折流板结构对列管式翅片换热器壳侧流体流动、传热及阻力性能的影响。研究发现,折流板开孔后,壳程流动死区明显减小,壳程传热系数及压降同比开孔前降低了;综合换热性能同比开孔前提升了。壳程压降随开孔率及板间距的增大而减小,壳程努塞尔数Nu随板间距的增大逐渐增大。从综合换热性能及场协同的角度分析发现,开孔率x=0.229、折流板间距H=85 mm的列管式换热器综合传热性能最佳。     

波纹翅片传热与流动特性数值仿真分析

采用数值计算方法,进行了波纹翅片传热与流动阻力特性的仿真研究。计算了波纹翅片上下表面换热系数沿着流动长度方向的变化特性;进行了波纹翅片无量纲曲率半径对换热系数、努塞尔数、管道压降、摩擦因子、管道进出口空气温差等的影响研究,绘制了波纹翅片换热性能评价图。研究结果表明,波纹翅片上下表面换热系数的大小沿着翅片长度方向呈现正弦形式波动,波动幅值逐渐较小;无量纲曲率半径的减小有利于提高波纹翅片的换热效果,但波纹翅片内空气流动的阻力也随之增大;换热性能评价图显示波纹翅片换热性能的增长率小于流动阻力的增长率。该研究内容为机车及动车组板翅式换热器空气翅片选型提供参考。     

人字形角对导孔型板壳式换热器壳程流体流动与传热特性的影响

以导孔型板壳式换热器为研究对象，通过数值模拟探究了双人字形板波纹角度的变化对壳程流体流动、传热性能的影响，采用粒子图像测速(PIV)对壳程流场分布和流速进行了试验验证。结果表明：PIV试验与数值模拟得到壳侧速度矢量分布一致，轴向速度的平均误差为2.93%,最大相对误差为13.24%。与矩形板式换热器不同的是，导孔型板壳式换热器的换热能力和压降损失随着角度的增大而提升，在β=60°达到临界点，随后随着β的增大换热能力有所削弱。壁面平均涡强Se与换热效率Nu存在对应关系，Nu随着Se的增大而增大，拟合的关联式误差在±9%以内。此外，在研究范围内，不同β下的综合性能随着质量流量m的增加而减小，β=30°时综合性能最好，该研究结果可为工业设计选择提供参考。