板翘式换热器物流分配特性的实验研究

The flow maldistribution and the effect of different inlet configuration on the flow distribution in platefin heat exchangers were studied experimentally. It is found that the flow maldistribution is serious because of the defects of inlet configurations, while the inlet configuration and Reynolds number are the main factors affecting the flow distribution. The improved inlet configurations, which are the header with a two-stage distributing configuration and the guide vane with a fluid complementary cavity were proposed and tested in this paper. The experimental results show that the improved inlet configurations can effectively improve the performance of flow distribution in heat exchangers.     

基于Kalman滤波的换热器非线性状态参数校正

炼化工艺系统中换热网络数据的准确提取将直接影响到集成优化方案和优化控制的性能。针对换热器非线性状态参数的数据校正,构建了换热器分段线性集总参数传热过程模型,有效地解决了换热器流股物性非线性变化所引起的非线性状态空间方程求解的问题;提出了分段线性的Kalman滤波状态空间方程建立和换热器状态参数校正方法,并通过蜡油加氢装置反应流出物高压换热器工业实例阐述了所提出方法的实现过程和效果。研究表明：换热器分段线性集总参数模型中分段数对Kalman滤波的计算收敛性具有重要影响,随着分段数的增大,换热器状态参数收敛于固定值,分段数需根据计算精度通过试差确定。本文方法可对换热器非线性状态参数实施有效的数据校正,对流股物性进行分段线性化处理具有较高的计算精度,可用于大温差或物性变化较剧烈情况下换热器非线性状态参数的数据校正。     

平行流多流体板翅式换热器的动态数学模型

板翅式换热器动态特性的复杂性在于其通道间有翅片导热存在．本文从分析翅片的定态和非定态导热过程入手,建立了包括考虑隔板热容的通用平行流多流体板翅式换热器的动态数学模型．该数学模型能以热阻网络图形式加以描述,通过对热阻网络的变换,获得了可快速求解的三对角阵代数方程组．用此模型计算了两股流板翅式换热器和四股流板翅式换热器的动态响应过程,对流体流量（或进口温度）扰动,理论的预测结果与实验数据相当一致．     

并流多通道管壳式换热器壳程流场分布

对一种新型并流多通道进出口结构（MPC）轴流管壳式换热器壳程流场分布与阻力性能进行全面研究,分别研究了管排数、Reynolds数、不同挡板对壳程流场分布、阻力性能的影响,并且采用实验方法对数值模型与方法的正确性进行论证。研究结果表明,在无挡板的情况下,随着管排数的减小,壳程流场分布不均现象得到有效的遏制,压降大幅降低,最大降幅达到70％以上;挡板能够有效促进流场的二次分布,但是同时亦使阻力增大较为显著。     

人字形板式换热器双流道模型的温度场数值模拟

应用数值计算软件fluent对人字形板式换热器进行温度场的数值模拟,模拟采用双流道形式,冷、热流体分别从上、下两个流道进入换热器进行热量交换,分别得出了冷、热流体的各自通道的温度分布,结合前人的研究结果,给出了人字形板式换热器的传热数据,从而使人字形板式换热器在传热参数上得到优化。研究表明,温度场在平行于进口速度方向上,温度梯度变化明显,层次较为清楚;在垂直进口速度方向上,温度梯度变化较平行时要低,层次不明显。     

转化过程气体换热器的副线调节性能——温度的影响

对转化过程采用圆缺形折流板和双圆缺形管束排列的气体换热器 ,推导出操作气量负荷率、管壳程副线率以及换热面积富裕系数与换热器管壳程进出口温度变化值之间的定量解析关系式 ,它们仅是换热器管壳程进出口温度设计值的函数。管壳程进出口温度变化共有 58种组合形式。最小换热面积富裕系数为温度变化引起换热量变化及换热器平均温差变化两部分的乘积。     

换热器壳程进出口折流区传热温差损失分析

对管壳式换热器壳程进出口折流区的传热温差作了分析,以换热器热流体与冷流体的出口温度比例α表征换热器的换热深度,探讨了换热器换热深度与长径比的关系。采用流路分析方法,对换热器壳程折流区域的传热性能进行了数学分析,并与纯逆流情况作了对比。结果表明:换热器折流区域的传热温差较逆流区域传热温差的偏离量会随α的改变而产生变化,为避免偏移量过大应控制折流区域面积占总传热面积的比例。α1时,为使传热温差偏移小于5%应使折流区域面积占总传热面积的比例小于0.6/R1 a,c。揭示了现有换热器结构大型化之后难以实现α1的原因,并给出一种可以改进传统大型管壳式换热器长径比锐减、换热深度受限的有效结构——壳程多通道结构。     

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。     

缠绕管式换热器的CFD优化

用ANSYS CFX软件采用基于有限元的有限体积法对简化的缠绕管式换热器的壳程流动进行模拟,考察管束导程和壳程流速等参数对缠绕管式换热器壳程流体流动特性的影响。结果表明,减小缠绕管束的导程可提高壳程流体的湍流程度,增强壳程流体的均匀程度,减少温度死区并提高换热效率,减小同一截面不同区域的压力差,进而减小因流场不均匀而对管束产生的破坏性应力。提高壳程流速可增强换热,但会增加壳程压降。     

平直开缝翅片和波纹翅片管换热器换热特性的数值模拟

采用FLUENT数值模拟方法,研究了平直翅片、平直开缝翅片、正弦波纹翅片和均匀倾角波纹翅片4种形式的翅片管换热器的空气侧流动和传热特性。分析出2种不同的波纹形式以及翅片开缝对翅片管换热器换热特性的影响。改变进口风速,在不同雷诺数的工况下,得到4种换热器的换热量Q、努塞尔数Nu、压降△P以及阻力因子f等与进口风速u和雷诺数Re的关系。结果表明进口风速增大,雷诺数增加,可显著提高换热器换热量,然而同样带来更多的阻力损失。翅片开缝对传热能力有明显的提升作用,波纹翅片在提高换热效率的同时阻力损失增加较小。     

基于智能预测和机理模型的换热网络清洗决策

原油石化装置的换热器常受到结垢影响,导致换热器性能衰退严重,换热网络性能也会随之衰退,同时换热器之间的耦合关系,导致不同换热器的性能衰退对换热网络整体性能变化的影响不同。以往的清洗决策主要是根据单台换热器性能衰退到一定程度来制定的,这会导致换热网络整体可能处在较差的运行状态。因此,本文提出一种基于智能预测和机理模型的换热网络清洗决策方法,基于换热器的运行数据建立智能预测模型,获得换热器性能变化趋势,结合换热网络的性能模拟模型,进一步获得换热网络的性能变化趋势,从而从换热网络整体性能变化的角度来制定清洗方案。研究表明,对收集到的原油换热器运行数据,建立神经网络预测模型,具有较好的预测精度。通过对原油精馏装置换热网络的案例分析,当HE1、HE2和HE5三台换热器同时发生性能衰退时,换热网络年度公用工程能耗费用将增加12.1%。与传统基于单台换热器性能衰退情况制定的清洗方案相比,从换热网络整体性能衰退角度制定的清洗方案,年度额外公用工程费用减少13.1%,损失费用减少14.1%,年度总费用减少13.8%,而清洗次数仅增加3台次。     

转化过程气体换热器的副线调节性能：操作气量的影响

以转化过程中采用的圆缺形折流板和双圆缺形管束排列的管壳式气体换热器,推导出操作气量负荷率,管壳程副线率与换热面积富裕系数之间的定量解析关系式,它们仅是换热器管壳各进出口温度的函数。副线调节的灵敏性以调节管程及温差大的流体走管程为最佳,操作气理负荷率所对应的换热器相对压降与副线调节方式及流体走法无关。     

非牛顿流体在波节套管换热器中流动与换热的实验研究

针对非牛顿流体在波节套管换热器管程的流动与换热进行了实验研究。重点研究了0.2%黄原胶溶液(XG)在不同波节套管换热器管程流动时的传热与阻力特性,并分析了强化传热机理。结果表明在相同工况下,随着管程黄原胶溶液Reynolds数Re_XG的增大,套管换热器总传热系数k和管程进出口压降Δp逐渐增大;波高H和波距S影响黄原胶溶液在套管换热器管程的流动与换热。随波高H增大,黄原胶溶液受波节处的涡旋效应的影响更明显,流体层间剪切力变大导致黄原胶溶液黏度变小,湍流程度更大,管程传热性能提高,压降也增大,但综合传热性能不断优化;随波距S增大,单位长度波节数量减少,对黄原胶溶液扰动影响降低,湍流程度降低,管程传热系数先增大后减小,流动阻力不断降低,综合传热性能先提高后减弱。当H=3.5 mm、S=30 mm时管程波节管的综合换热因子η_tube达到最大,η_tube是相同条件下圆管的5.11~6.69倍。     

非牛顿流体在波节套管换热器中流动与换热的实验研究

针对非牛顿流体在波节套管换热器管程的流动与换热进行了实验研究。重点研究了0.2%黄原胶溶液(XG)在不同波节套管换热器管程流动时的传热与阻力特性,并分析了强化传热机理。结果表明在相同工况下,随着管程黄原胶溶液Reynolds数Re_XG的增大,套管换热器总传热系数k和管程进出口压降Δp逐渐增大;波高H和波距S影响黄原胶溶液在套管换热器管程的流动与换热。随波高H增大,黄原胶溶液受波节处的涡旋效应的影响更明显,流体层间剪切力变大导致黄原胶溶液黏度变小,湍流程度更大,管程传热性能提高,压降也增大,但综合传热性能不断优化;随波距S增大,单位长度波节数量减少,对黄原胶溶液扰动影响降低,湍流程度降低,管程传热系数先增大后减小,流动阻力不断降低,综合传热性能先提高后减弱。当H=3.5 mm、S=30 mm时管程波节管的综合换热因子η_tube达到最大,η_tube是相同条件下圆管的5.11~6.69倍。     

采用换热器负荷图指导换热网络改造的新方法

目前大部分图形工具仅适用于以节能为目标的换热网络(HEN)设计或者改造。能量回收量的增加往往伴随换热单元数的增多,而换热单元数对设备投资费有较大影响。采用换热器负荷图(HELD)提出一种系统化的换热网络改造新方法。新方法基于夹点分析,在改造区间中选择匹配目标,重新构建改造用HELD,从而简化问题;通过在水平方向上平移热流股曲线实现跨夹点负荷的重新分配,完成节能目标,并结合经验规则,尽可能减少改造后换热网络的换热器数目。以一个工业造纸厂为例,对其进行节能改造方案设计,相较于文献报道结果,得到两个节能目标值相近且换热器改动数目更少的新方案,验证了新方法的有效性。     

基于有向加权集团度理论的换热网络节点重要性排序研究

大型化工换热网络换热器数量众多,流股错综复杂且流股之间存在高程度的耦合关系,使关于换热网络关键换热器及关键路径评价研究的重要性不断凸显,对换热网络控制与安全运行的工程实践方面具有指导意义。提出了一种基于有向加权集团度复杂网络理论的换热网络节点重要性排序方法。首先,将错综复杂的换热网络转化为网络拓扑结构。其次,考虑到换热干扰传递单向性、干扰程度传递递减性、干扰传递复杂性,将集团度概念及各集团度权重选取方法重新定义,并用度来衡量上游换热器对目标换热器干扰可能性大小,通过比较最终计算得到的集团度大小,得到换热网络各节点的重要性排序。案例分析表明:该研究方法有效,并通过Aspen plus软件模拟验证了该方法的准确性。     

纵翅片结构形式对管换热器性能的影响

提出了一种可改善换热效率的百叶窗式纵翅片换热管的结构模型,对其进行简化,采用Fluent软件对换热管烟气侧流动与传热过程进行数值模拟,对比了两种百叶窗纵翅片与普通纵翅片的换热效率与压降,结果发现：百叶窗式纵翅片传热效果比普通纵翅片高130%以上。模拟了6组不同流体入口速度下传热与压降的变化情况,分析了百叶窗翅片间距与倾斜角度对传热与压降的影响,结果表明：入口速度越大,进出口温差越小,压降越大;翅片间距越大,进出口温差和压降都越小;翅片倾斜角度越大,换热效果相差不大,压降越大。搭建了简易实验平台对模拟结果进行验证。     

管壳式换热器壳程进出口流通面积调整方法

依据GB 151-1999附录K中壳程进出口流通面积的计算方法,推导出影响壳程进出口流通面积的3个因素,即壳程进出口接管内径、换热管的列数和壳体内径,并提出在壳程进出口流通面积不足时,如何调节这3个因素使流通面积满足要求。     

多股流绕管式换热器的管束排布及传热计算

多股流绕管式换热器的结构复杂,传热计算的难度较大。常见的计算方法是根据一些假定条件建立计算模型、进行数值求解,这种计算方法较复杂,不适合工程计算。而一些能用于工程计算的简便解析计算方法则存在迭代计算复杂、应用范围受限的缺点。本文列举了几种典型的多股流绕管式换热器的管束排列结构,分析了各自的结构特点;给出了多股流换热器的管板结构及相应的流体进出口接管方式,分析了各自的优缺点及应用场合。针对两种常规的多股流管束排列结构,即各股管程流体分层排布和同层排布,分别给出了适应于工程应用的简便传热计算方法。这两种计算方法将复杂的多股流绕管式换热器的计算分解为多个管程单股流绕管式换热器的计算,简化了计算过程。     

Heat exchanger system boundary regulation

The boundary feedback regulator design for heat exchangers with delayed feedback is developed. Counter-flow/parallel-flow heat exchanger systems described by a pair of coupled transport hyperbolic partial differential equations (PDEs) with delayed boundary feedback loop modeled by the boundary time lag are considered. The coupled transport hyperbolic PDEs and boundary delay by application of boundary transformation are transformed in the corresponding linear infinite-dimensional system utilized in the regulator design. The regulator design initially addresses a full state feedback controller realization augmented by the observer design to achieve simultaneously output exponential stabilization as well as tracking and disturbance rejection of polynomial and/or harmonic type of reference signals. The simulations studies demonstrate the proposed design for counter-flow and parallel-flow heat exchangers, two common configurations present in industrial practice.