水平管降膜蒸发器管束结构优化数值模拟

摘要本文采用数值模拟方法,通过观察不同条件下液膜流动状态以及计算相应状况下的液膜厚度,研究水平管降膜蒸发器管外液体流动的影响因素并对管束结构进行优化.计算结果表明:旋转三角形管束布置有利于在传热管上形成稳定的液膜,而三角形管束布置有利于传热管上液体的混合;管间距和液体的初始流速对降膜蒸发器管外液体流动有重要影响,随着管间距的增大以及液体初始流速的减小,管束中呈现柱状流的管排范围减小.     

水平管束降膜蒸发中CO2解吸的微观特性

水平管降膜蒸发中释放的不凝气严重降低了管内冷凝传热速率,会使海水淡化的能耗成本显著增加,因此研究水平管束降膜蒸发中CO₂解吸的微观过程具有重要意义。文章建立了耦合水平管束降膜蒸发传热和CO₂解吸的理论模型,计算得到CO₂解吸单元体、碳酸盐组分浓度,分析了CO₂解吸量的微观特性。结果表明：传热系数的模拟值与实验值吻合良好;化学反应时间沿竖直管排方向减小且其速率逐渐降低,而沿水平管长方向随竖直管排节点数的增加而变长;主导CO₂解吸速率的HCO₃^-和CO₃^2-在微元内的浓度显著高于CO₂和H⁺浓度;单位面积的蒸发速率和每吨海水CO₂解吸量沿竖直管排、水平管长方向均减少。     

管内插入螺旋线的降膜蒸发传热性能研究

提出了管内插入螺旋线的竖管降膜蒸发传热强化方法，并通过实验探讨了液膜雷诺数、传热温差和螺旋线插入物的结构参数对降膜蒸发传热性能的影响。结果表明，插入螺旋线与光管相比，传热膜系数可提高20％以上。     

水平管外高黏流体降膜流动形态及液膜分布规律的数值模拟

降膜元件上的流体流动行为能够反映该降膜式脱挥器的主要性能。采用数值模拟方法探究在水平管结构的降膜元件上高黏流体降膜流动的微观机理,在实验验证模型可靠性的基础上,考察不同流量下3层水平管外的高黏流体降膜流动形态及液膜厚度、速度变化规律等。结果表明：高黏流体在水平管外的降膜流动形态主要受重力和黏性力的影响,柱状流不易发展成完全的帘状流;高黏流体在水平管上部受到壁面支持力影响,而在水平管下部受到黏性力影响,流体会堆积在周向角0°～30°和150°～180°这两个区间内,导致液膜厚度异常增大;进液的3股流体在发生碰撞后,中间股液膜速度提高较多,但液膜厚度增加较少;流量减小至10.8 kg/h时,水平管外高黏流体会发生液膜收缩且内部出现空腔的现象,不利于高黏流体成膜流动。该研究可为水平管降膜式脱挥器的开发及工况设置提供参考。     

LNG空温式气化器管束传热特性

液化天然气（LNG）空温式气化器由翅片管管束组成,以节能环保的优势在LNG中小型气化站得到广泛应用。空温式气化器管束中的单根翅片管传热会受到相邻翅片管的影响,与大空间中的单根翅片管的传热过程存在差异,传统的传热设计中往往忽略管束中翅片管的传热差异,带来较大误差。针对空温式气化器管束传热特性展开研究,对涉及流固耦合传热问题的翅片管管束进行整场建模与求解,采用混合物模型和Lee模型求解管内LNG气化传热,得到了管束中不同位置翅片管的空气侧温度场分布及传热系数,建立了空气侧传热差异系数拟合公式,并用管束空气侧传热特性实验对拟合公式进行了验证。     

水平圆管淋水降膜换热研究

系统研究水平圆管层状无波动降膜换热,依据能量积分方程详加分析,得到了换热准则式。用计算机进行液膜动力学分析,所得实验结果与理论分析吻合较好。     

带水平传热管束的组合加热流化床传热及干燥特性

组合加热流化床干燥机综合了间接加热热效率高及普通流化床热质传递效率高的优点，在高湿含量物料及热敏性物料的干燥中具有优势。本文考察了带水平传热管束的组合加热流化床干燥机中各操作条件对传热系数及干燥机热效率的影响。结果表明，操作气速及床层温度对传热系数及热效率有较大影响，操作气速增大，传热系数先增大后降低，存在一个最大值，而热效率呈单调下降；床层温度升高，传热系数增大，而热效率降低；因此，合理选择这些操作条件，对提高传热系数及热效率是非常重要的。工业装置的运行结果表明，该干燥机的热效率达70％以上，远高于普通流化床干燥机。     

切应力作用下的层流饱和蒸发降膜流动和传热模型

处于切应力作用下的层流饱和蒸发降膜流动,具有广泛的工业应用价值和潜在的应用前景。基于力平衡和能量守恒原理,建立了在同向或反向切应力作用下层流饱和蒸发液膜传热特性的物理模型,推导出无量纲液膜厚度和表面传热系数与流动长度、界面切应力、界面对流换热强度、雷诺数间的非线性关系式,为从理论上揭示层流饱和蒸发液膜的传热机理提供了一种可供分析的数学模型。     

自由降膜表面波流动和传热特性的研究

要对垂直自由降膜表面波建立了数学模型及计算方法,在雷诺数Ｒｅ为８８０、等温壁面条件下,根据实验测定的薄膜厚度随时间变化的规律,经坐标转换,在运动坐标系下,采用有限差分法求解动量方程和连续性方程,得到了定常温度下层流降膜内的速度分布和压力分布;并在恒壁面热流密度条件下,结合能量方程,求得并分析了换热系数和表面波之间的关系。     

渗层不锈钢管束表面真空下换热特性的实验分析

为了探究在真空条件下材料表面特性对蒸汽凝结换热的影响机理,从实验和凝结理论两个方面入手探索了在真空条件下渗层不锈钢管束壁面蒸汽凝结的换热特性。在真空条件下进行对比实验,实验结果表明,渗层不锈钢管束的凝结换热性能明显优于普通铜管束,且随着真空的提高,效果更为显著,最高提升幅度可达77％。进而从真空对蒸汽的流场、非冷凝气体的热阻及其固相和液相间的界面能差三个部分论证了真空度的提升有利于冷凝液滴的形成和凝结换热效果的提升,与实验结果相符。     

水平滴型管外凝结液膜分布及换热特性研究

采用特殊管型是最为常见的、有效的强化膜状凝结换热手段。为了研究特殊管型对纯蒸汽膜状凝结换热及强化过程,建立了滴型管物理模型和凝结液膜厚度分布数学模型;通过边界层方程组及无量纲化得到了计算液膜厚度分布及换热系数的表达式。计算结果表明:椭圆度e及Bo数对液膜脱离壁面的临界角φc的作用相反,即当椭圆度e一定时,临界角φc随着Bo数的增大而增大,当Bo数一定时,临界角φc随着椭圆度e的增大而减小;在有效换热面积相等的情况下,滴型管比圆管具有较好的排液性能,能有效地减薄液膜厚度,强化了换热性能;其强化换热效果主要受椭圆度e及Bo数的影响。因此,在设计滴型管时,应该根据Bo数的具体数值确定最佳的椭圆度e。该文结论对优化管型以实现强化换热有一定的参考意义。     

机械加工多孔管管束的沸腾换热特性

对机械加工多孔管管束的沸腾换热性能进行了理论分析与实验研究,结果表明:多孔管管束的换热性能与单管有一定的差别;同一管束中,处于不同位置的管子,其换热性能也不尽相同;其差别的大小及性质与热流密度及管束的结构有关.把管子的换热表面分为3个区域进行分析,可以很好地解释实验结果.本文整理出的换热关联式的计算值与实验值符合较好.     

三角形布管方式下两种换热器传热与流阻性能研究

采用CFD数值模拟方法和折流板换热器、帘式折流片换热器周期性全截面计算模型,对两种换热器在正三角形布管方式下的传热系数、阻力、综合性能随Re数的变化情况进行了数值研究.研究结果表明,两种换热器对应的换热系数和壳程压力损失均随Re数的增加而增大,折流板换热器的传热系数大于帘式折流片换热器,约是帘式折流片的1.32倍,但其阻力大幅高于帘式折流片换热器,是帘式折流片换热器的2.4倍左右,两种换热器的综合性能均随Re数的增大而下降,帘式折流片换热器的α/ΔΡ几乎是折流板换热器的2倍,体现了帘式折流片换热器在保持较高的传热效果的情况下,具有显著的流动减阻性能.     

空气斜向冲刷圆管束时的传热与流阻性能研究

对空气斜向冲刷圆管束时的管外传热与流阻性能进行了实验研究，给出了实验条件下的传热与流阻关联式，并对不同冲刷角下传热与流阻性能作了综合评价，结果可作为斜向掠圆管束和螺旋折流板换热器设计的参考依据。     

流动冲击角对流体绕流管束换热的影响

运用计算流体动力学软件FLUENT,对流动冲击角分别为45°、60°、75°和90°,流体绕流6排87根错排管束下的换热进行三维数值模拟.管束的纵向和横向管间距分别为9.5 mm和11 mm.考查管束的平均换热努赛尔数和模型进出口压降,并与茹卡乌斯卡斯的实验关联式进行对比.当雷诺数为5 000~20 000时,给出4种流动冲击角下管束换热努赛尔数的拟合公式,并对管周向局部换热特点进行细观分析.结果表明:湍流边界层在周向夹角为大约105°时从管壁面分离,此时换热最差;流动冲击角越大,管束的平均换热努赛尔数和模型进出口压降越大;流动冲击角为45°时综合换热性能较好.     

固体粒子流绕流园管换热系数的试验研究

用试验方法研究了固体粒子绕流园管的换热系数，得出了换热系数与固体粒子的平均直径、粒度分布、颗粒运动速度等参数的关系曲线和关系式。对单根试验管、叉排管束、矩形截面超片管和三角形截面翅片管的试验结果进行了综合比较。提出了加热粒子流的准则方程式。     

空气横掠错列翅片管束流动与传热的数值研究

应用SIMPLE算法和k-ε模型对空气横掠错列翅片管束在湍流奈件下的流动和传热性能进行了数值模拟。对翅片管束在流体的不同入口流速情况下的换热和阻力特性进行了比较，得到了湍流条件下的努塞耳准则数和欧拉准则数与雷诺准则数之间的关系式，得出努塞耳数随着入口流速的增加而增加，但欧拉数随着入口流速的增加而下降。     

螺旋线圈强化管内单相流体传热的研究

研究了内插螺旋线圈的水平圆管内水的对流强化传热及流阻特性,探索了螺旋丝径不变,螺距变化对传热及流体阻力的影响;螺距不变,螺旋丝径变化对传热及流体阻力的影响.实验采用25mm×2mm的紫铜圆管,实验段长1.68m,管内走水,Re数的范围在3000～25000之间.通过对实验数据的多元线性回归,得到了传热与流体阻力的实验关联式,采用(Nus/Nu)3.5/(fs/f)作为评估传热与流阻性能的综合判据,实验结果表明在实验范围内,(Nus/Nu)3.5/(fs/f)的值在1.2～10.7之间,大于1,说明插入螺旋线圈有效地强化了管内传热.     

内置双螺旋结构换热管金属氢化物反应器的传热性能

针对金属氢化物反应器传热性能较差的问题,提出了更紧凑高效的双螺旋结构换热管。建立了内置螺旋管的金属氢化物反应器的三维数学模型,研究了换热流体入口平均流速对反应器传热性能的影响,确定了模拟中入口平均流速的范围,对比分析了单、双螺旋结构对反应器性能的影响。结果表明：在换热流体入口平均流速大于0.5m/s以后,能达到较好的换热效果,换热流体的平均真实温升趋于稳定。减小螺旋导程可以明显提高换热流体的平均真实温升和反应器的传热性能。对于导程为60mm的单、双螺旋结构管,床层平均温度降至300K所用时间从7000s缩短到3000s。导程为30mm的双螺旋结构管的单位重量输出?功率比导程为15mm的单螺旋结构管更高,可见内置双螺旋结构管反应器的传热性能优于内置单螺旋结构管反应器。双螺旋结构管具有更大的换热面积,在反应器床层内的位置分布更加均匀,从而提高了反应器的传热性能。