PCHE内轴向导热对局部换热性能的影响研究

通过改变印刷电路板式换热器（PCHE）通道壁厚、直径以及冷热侧CO₂进口温度差,数值分析了层流条件下,轴向导热对PCHE内超临界压力CO₂流动换热的影响。结果表明,考虑轴向导热时,局部热通量沿程变化更加平缓,冷侧对流传热系数在小于拟临界温度区域变小,而热侧对流传热系数在小于拟临界温区域增大;轴向导热仅对热效率峰值附近区域有所影响,其使得峰值略有增大且向低温侧移动;传热熵产主要发生在高温区域,轴向导热可有效降低局部传热熵产。增大壁厚和直径可增大轴向导热的影响,而增大进口温差,轴向导热的影响变化不大。     

PCHE内轴向导热对局部换热性能的影响研究

通过改变印刷电路板式换热器(PCHE)通道壁厚、直径以及冷热侧CO_2进口温度差,数值分析了层流条件下,轴向导热对PCHE内超临界压力CO_2流动换热的影响。结果表明,考虑轴向导热时,局部热通量沿程变化更加平缓,冷侧对流传热系数在小于拟临界温度区域变小,而热侧对流传热系数在小于拟临界温区域增大;轴向导热仅对热效率峰值附近区域有所影响,其使得峰值略有增大且向低温侧移动;传热熵产主要发生在高温区域,轴向导热可有效降低局部传热熵产。增大壁厚和直径可增大轴向导热的影响,而增大进口温差,轴向导热的影响变化不大。     

蛇形换热管内超临界甲烷传热特性研究

使用甲烷代替液化天然气(LNG),对超临界LNG在单根蛇形管内的流动与传热特性进行了数值模拟,分析了流体物性、进口速度、压力及壁温对超临界流体传热特性的影响。结果表明,表面传热系数的总体变化趋势与定压比热容随温度压力的变化类似,表面传热系数沿管程先增大后减小;而在远大于拟临界温度的区域,除弯管处由于二次流出现突变外,表面传热系数渐趋稳定。壁温、入口速度及压力都会对表面传热系数的峰值位置和大小产生影响。增大压力可以改善超临界区域传热恶化现象;进口速度对传热影响较大,随着进口速度增大,表面传热系数显著增加。     

SCV蛇形换热管内超临界LNG传热特性数值模拟

LNG沉浸式汽化器在液化天然气接收站应用广泛,管内超临界LNG的传热特性对SCV运行有重要影响,为此,建立了单根蛇形换热管内LNG流动传热过程的数值计算模型。分析了管程压力、热通量、入口速度及物性变化对管内流体温度与局部传热系数的影响规律。计算结果表明,局部传热系数沿流动方向呈先增大后减小的趋势,并在准临界点附近达到峰值;由于二次流现象,传热系数在弯管处发生突变。在操作压力范围内,压力越大,局部传热系数峰值越小;热通量越大,局部传热系数峰值越早出现,峰值过后系数下降越快,出现传热恶化现象;而入口速度越大,局部传热系数越大,其峰值出现位置越靠后。该数值模拟结果可为LNG沉浸式汽化器的设计提供参考。     

基于流固耦合理论的螺旋折流板换热器结构优化研究

针对螺旋折流板换热器热-结构综合性能,以螺旋角和搭接度为优化变量,基于流固耦合理论,采用二阶多项式响应面模型和遗传算法对螺旋折流板换热器进行了结构优化研究。结果表明:当壳侧入口流量为1.5 m×s~(-1)时,对于流动传热性能,单位压降传热系数随螺旋角的增大呈现先增大后减小的趋势,随搭接度的增大而减小,且受螺旋角的影响更大;对于折流板机械强度性能,最大剪应力的最大值随着螺旋角的增大而增大,而基本不受搭接度的影响。多目标优化以单位压降传热系数最大化,最大剪应力的最大值在许用应力范围内且最小化为目标函数,得到了三种优化结构。对比优化前后,单位压降传热系数平均提升了14.1%,最大剪应力的最大值平均降低了4.1%。研究结果为螺旋折流板换热器的工业化设计提供了理论指导。     

板式换热器相变流动的传热及压降特性

建立了三维单流道模型,模拟了波纹倾角和波纹节距对相变流动传热和压降特性的影响。结果表明,沸腾传热和压降特性同时受到流动形式和触点影响,"曲折型"流动有利于液膜蒸发增强传热,触点对气相的扰动作用小于液相,因此在气相体积分数较高的区域的触点处气液相变转化现象不明显。传热系数随波纹倾角的增加而增大,随波纹节距的增加而减小,但在相同入口Reynolds数下波纹节距λ=16 mm比14 mm的传热系数大,主要是因为流动形式的改变在某种程度上减弱了触点数目减少对传热的影响。β=75°和λ=10 mm时传热性能最好。沸腾流动的压降随波纹倾角的增大先升高后降低,在β=65°左右达到峰值,随着波纹节距的增大而降低。     

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。     

板式换热器相变流动的传热及压降特性

建立了三维单流道模型,模拟了波纹倾角和波纹节距对相变流动传热和压降特性的影响。结果表明,沸腾传热和压降特性同时受到流动形式和触点影响,"曲折型"流动有利于液膜蒸发增强传热,触点对气相的扰动作用小于液相,因此在气相体积分数较高的区域的触点处气液相变转化现象不明显。传热系数随波纹倾角的增加而增大,随波纹节距的增加而减小,但在相同入口Reynolds数下波纹节距λ=16 mm比14 mm的传热系数大,主要是因为流动形式的改变在某种程度上减弱了触点数目减少对传热的影响。β=75°和λ=10mm时传热性能最好。沸腾流动的压降随波纹倾角的增大先升高后降低,在β=65°左右达到峰值,随着波纹节距的增大而降低。     

纳米粒子浓度对纳米流体流动沸腾传热及压降影响综合评价

探究纳米粒子浓度对纳米流体在微细通道内流动沸腾传热和压降特性的综合影响,运用超声波振动法制备质量分数为0.05%、0.1%、0.2%、0.3%、0.4%均匀、稳定的Al_2O_3/R141b纳米流体制冷剂,在直接激光烧结(DMLS)微型换热器内,设计系统压力为176k Pa,纳米流体制冷剂入口温度为40℃、热流密度24~42k W/m~2和质量流率183.13~457.83kg/(m~2·s)工况下,进行单因素实验及正交实验,运用方差齐性检验法及多指标综合评价法研究粒子浓度对纳米流体在微细通道内流动沸腾传热和压降特性的综合影响。研究得出:纳米粒子浓度对纳米流体沸腾传热有显著性影响,对总压降没有显著性影响;纳米流体流动沸腾总压降随浓度的增加而减少,传热性能随纳米颗粒浓度增加成非线性变化,质量分数为0.05%~0.1%之间,传热系数随颗粒浓度的增加而增加,当质量分数大于0.1%时,传热系数随颗粒浓度的增加而减少;综合考虑纳米颗粒浓度对传热及压降的影响,运用熵值法得出纳米颗粒对传热及压降影响的权重分别为0.285、0.715,基于多指标综合评价法得出纳米流体颗粒质量分数为0.2%时,纳米流体的传热系数最佳,总压降最小。     

动力型热管内R134a流动凝结传热过程的特性

针对动力型热管内流动凝结传热过程中的特性复杂未知,搭建了动力型热管冷凝特性测试实验台。对不同流量及干度下的R134a管内流动凝结过程中的压降特性和传热特性进行了实验研究,实验结果表明：压降随着管内工质质量流量和气体干度的增加而增加,与文献中3种不同压降模型进行了比较,得出Muller-Steinhagen-Heck模型能更好地预测管内流动凝结过程中的压降特性。传热系数随着管内工质质量流量和气体干度的增加而增加,并且低干度区的增长斜率要明显大于高干度区的增长斜率,与文献中4种不同传热模型进行了比较,得出Chen模型能更好地预测管内流动凝结过程中的传热特性。该研究为泵的选择、换热器的设计、系统的优化以及两相流凝结相变过程的研究提供了理论参考。     

沉浸式换热器超声强化传热影响因素

以沉浸式换热器为研究对象,通过壁面加载超声波,比较了超声波振幅、换热器入口流速和管外压力对超声波效应及强化传热效果的影响。结果表明：超声波振幅由20μm增大至35μm时,表面对流传热系数增幅由15.67%增至26.71%;管外压力由0.1MPa增大至1.0MPa时,表面对流传热系数增幅由20.95%增至48.43%;入口流速由1.0m/s降低至0.05m/s时,表面对流传热系数增幅由1.76%增至39.01%。增大超声波振幅、环境压力和减小介质流速均能增强超声波声流现象和空化效应,有效提高超声波强化传热效果;高压环境会使同振幅、同频率超声振动作用下声功率呈指数增长,高流速会降低流体介质的声能密度,两种情况都需要匹配合适的超声波以保证强化传热最佳效果。     

螺旋扁管折流杆换热器壳侧性能多目标优化研究

基于遗传聚集响应面模型和多目标遗传算法,研究了以螺旋扁管为换热管的折流杆换热器结构参数、入口速度对壳侧流动和换热性能的影响,并对螺旋扁管折流杆换热器的性能进行了优化分析。结果表明：传热系数随螺距的增大先减小9.38%,后维持不变;在低入口速度条件下,随长短轴之比的增大而增大,在高入口速度条件下,存在先减小后增大的趋势。压降随螺距的增大基本不变;随长短轴之比的增大减小了36.67%。由敏感性分析可知传热系数和压降对入口速度的变化最敏感,截面椭圆长短轴之比次之,对螺距最不敏感。优化后的螺旋扁管折流杆换热器结构比原结构单位压降下的传热系数平均提高了26.42%。     

新型板壳式换热器壳程流动与换热的数值模拟

提出一种新型的板壳式换热器,建立2种不同板束截面形式的换热器模型,利用FLUENT软件对壳程流体的流动和换热进行数值模拟,从多个方面对板壳式换热器壳程湍流流动与强化传热进行了探讨。模拟结果表明,由于换热板片特殊的蜂窝结构,靠近板片壁面的流体产生了明显的周期性波浪式流动,这种流动加剧了流体的湍流强度及边界层的扰动,起到了壳程强化传热的效果。对于2种不同截面形式的换热器,圆形截面形式的换热器壳程空间利用率较高,流体流动充分,热交换效果更好,在同流量下,其壳程对流换热系数比方形截面形式的高35%—40%,压降高17%—19%,单位压降下的壳程对流换热系数高15%—19%。该数值模拟结果对板壳式换热器的研究具有一定的理论意义和工程实用价值。     

折流板切口方向对管壳式换热器传热性能影响

为了研究单弓形折流板的切口方向对管壳式换热器传热与流动性能的影响,文中通过建立3个不同折流板切口方向的管壳式换热器简化实体模型,运用CFD软件Fluent对管壳式换热器壳程传热与流动状态进行了三维数值模拟。以水为壳程流体介质,在不断改变壳程进口流速,使得壳程进口雷诺数Re在10 000到70 000范围内变化时,得到了不同状态下的壳程流场与温度场。根据数值模拟结果,以总传热系数α,壳程总压降Δp以及单位压降下的传热系数α/Δp作为综合衡量标准,分析不同折流板切口方向时的管壳式换热器壳程流场与温度场。数值模拟分析结果表明:折流板为垂直切口方向时,管壳式换热器总传热系数最大,压降最小,综合性能最好,另外2种折流板切口方向的管壳式换热器综合性能差不多。     

正弦波纹流道印刷电路板换热器热工水力性能

印刷电路板换热器换热性能好、紧凑性高，在超临界CO₂布雷顿循环等领域有着广阔的应用前景。本文通过数值计算，首先比较了湍流条件下15°～30°范围内不同波纹角对正弦波纹流道流动换热性能的影响，结果表明，波纹流道内的换热效果随波纹角的增大而增强（换热量最大增长了7.1%），且热侧的压降相对于冷侧增大更明显。其次，分节研究并分析了流道内不同区域的局部流动换热特性，发现了在热侧和冷侧入口区域各存在着1个大、小温差区，同时，需要对入口处进行合理的优化设计以减小入口处的压降。最后，进一步设计了一种“正弦波纹+直通道”的复合结构并初步探究了该结构的流动换热性能。     

Thermal-hydraulic performance of sinusoidal channel printed circuit heat exchanger

Printed circuit heat exchanger (PCHE) is a promising candidate in the field of supercritical CO₂ Brayton cycle due to its high thermal efficiency and compactness. In this paper, the effects of wave angles (15°—30°) on the heat transfer performance of sinusoidal channels under turbulent conditions are numerically studied at first. The results show that the heat transfer performance increases with the increase of wave angle (the maximum increase of the heat transfer rate is 7.1%), while the pressure drop on the hot side increases more significantly when compared with that on the cold side. Secondly, the local flow and heat transfer characteristics in the different regions of the channels are analyzed by pitches. Zones with large and small temperature differences are observed in the inlet zones on the hot and cold sides, respectively. Meanwhile, the inlet zones are found to be related to great pressure drops and should be carefully optimized. Finally, a novel hybrid structure of sinusoidal channel combined with straight channel is designed and its thermal hydraulic performance is tentatively investigated.     

微通道内超临界氮气三维热流场实验与数值模拟

利用实验与数值模拟相结合的方法研究了超临界氮气（SCN₂）三维热流场特性,在用实验数据验证数值方法可靠性基础上,分析了压力（3.6~7 MPa）和质量流速［800~1200 kg/（m²?s）］对SCN₂对流传热特性的影响,揭示了微通道圆管不同圆周方向上SCN₂热流场规律。结果表明：在低压力和高质量流速下,同一轴向位置处,径向内壁温最大值出现在圆管90°处;质量流速越大,内壁温最大值和对流传热系数最小值由圆管180°向90°处发生了转移;当浮升力系数Gr*/Re²>1时,浮升力有利于强化圆管底部区域流体传热能力;基于获得的数据,提出了一个新的适合预测微通道圆管内SCN₂对流传热特性的无量纲换热关联式,预测误差小于20%。研究结果为微通道换热器优化设计提供了参考。     

U形导流板换热器传热和阻力性能分析

建立U形导流板换热器和扭转流换热器全截面周期模型,利用计算流体力学（CFD）方法对两种换热器壳程性能进行数值研究。相较于扭转流换热器,U形导流板换热器的壳程压降降低45.3%～47.5%,传热系数降低9.9%～13.5%,均匀性提高2.4%～4.0%,综合性能提高4.0%～14.6%。场协同结果表明,U形导流板换热器壳程流体速度与压力梯度的协同性优于扭转流换热器,而流体速度与温度梯度的协同性不如扭转流换热器。本文利用激光多普勒测速仪（LDV）验证了模拟方法准确性和模拟结果的可靠性;分析了U形导流板结构参数及布置方式对换热器壳程压降和传热性能的影响。结果表明,U形导流板的布置角度和布置方式对性能影响显著,导流板宽度和导流板间距的影响较小。