管束结构对开缝翅片椭圆管换热器性能的影响

在模化试验验证的基础上,对不同横向管间距S₁、纵向管间距S₂和椭圆管长短轴比a/b的开缝翅片椭圆管换热器进行了数值模拟,分析了管束结构的差异对开缝翅片椭圆管换热器性能的影响。结果表明：横向管间距在60.55～70.55 mm范围内,空气侧Nu和Eu均随S₁减小而增大,S₁为60.55 mm时换热器综合流动传热性能最好;纵向管间距在65～75 mm范围内,空气侧Nu随S₂减小而增大,Eu变化不明显,S₂为65 mm时换热器综合流动传热性能最好;横向管间距对开缝翅片椭圆管换热器传热、流动性能的影响较纵向管间距更为明显;在等周长条件下,椭圆管长短轴比a/b在1.5～2.5范围内,a/b为1.8时换热器综合流动传热性能最好。研究成果可为此类换热器在工程实际中的应用与进一步优化提供依据。     

翅片结构对换热器的影响

翅片管广泛用于废热锅炉,火焰加热器以及有关的换热设备。选用时,涉及到许多变量,包括规格尺寸,成本以及充许的气体压降。然而,设计者要了解的关键问题在于翅后结构及翅片密度对于所需的传热表面积的影响。人们往往因简单选择一个表面积较大的特殊设计而失误,尽管这种设计适合于裸管换热设备,因气体流速相当,但对翅片管并非如此。     

平直翅片和开缝翅片换热器特性的数值模拟

翅片管式换热器作为制冷和空调装备中的一种重要设备,具有结构紧凑、制造简单、适用范围广等特点,它的运行状况直接关系到整个换热系统性能的优劣。翅片管式换热器空气侧传热性能以及速度场、温度场分布对换热效果的影响一直是国内外学者研究的重点。利用CFD技术对圆管平直翅片和圆管开缝翅片换热器两种形式下外部空气与翅片的换热效果进行了数值模拟。结果表明,圆管开缝翅片换热器的换热效果更好。     

湿烟气工况下齿形螺旋翅片管束的性能研究

换热器烟气侧自身结构参数和外界条件是影响换热器换热及阻力特性的主要因素,采用数值模拟和实验方法研究了翅片螺距及烟气含水量对齿形螺旋翅片管束换热及阻力特性的影响。结果表明,在翅片螺距3.63～8.47 mm范围内,烟气侧Nu随着翅片螺距的增大而增大,在不同入口烟温下,相对于3.63 mm翅片管,5.08 mm和8.47 mm翅片管Nu分别增大3%～6%和9%～14%,Eu随着翅片螺距的增大而减小,相对于3.63 mm翅片管,5.08 mm和8.47 mm翅片管Eu分别减小30%和50%左右;烟气含水量的适当增大,有利于提高齿形翅片管束的换热及阻力特性。     

不同结构型式纵翅片管综合换热性能的数值模拟

在能源日益匮乏的今天,对低温热能的回收也逐渐成为热点.纵翅片换热器作为中低温烟气余热回收设备的核心部件,其中的平板式纵翅片管能有效解决翅片积灰、结垢问题,但却存在换热能力不理想而使得使用受到限制.本工作对传统平板纵翅片管进行结构改进,强化管外翅片与管外流体的换热效果,并分别采用j/f、j/f^1/2和j/f^1/3作为综合性能评价指标,分析研究4种不同结构型式纵翅片管的综合换热性能.结果表明:百叶窗式纵翅片管的换热性能要比普通平板式纵翅片管高90%以上,然而压降也是最大.通过评价指标可以看到在相同压降和相同泵功条件下,百叶窗式翅片管的综合性能要优于其他.通过实验研究,得到的测试结果与模拟结果相符,相对误差的平均值约为15%.研究成果为纵翅片结构优化提供了理论基础.     

翅片螺距对折齿型螺旋翅片管束性能的影响

为了提高平齿型翅片管的强化传热效果,通过改变其锯齿的扭转方向和偏折角度得到了折齿型螺旋翅片管。利用数值模拟和模化试验相结合的方法对基管外径分别为38 mm和51 mm的折齿型螺旋翅片管束进行研究,得到了翅片螺距对折齿型螺旋翅片管束的换热与阻力性能的影响规律和最优翅片螺距。结果表明:翅片螺距P_f在3.63~8.47 mm范围内,空气侧Nusselt数Nu随P_f增大呈先递增后递减的趋势;当P_f大于6.35 mm时,翅片螺距增大对Nu的影响相对已不明显;空气侧Euler数Eu随P_f增大而减小。对于基管外径分别为38 mm和51 mm的折齿型螺旋翅片管束,P_f为6.35 mm时其性能指标Nu·f ^-1/3均最大,因此P_f=6.35 mm是最优翅片螺距。     

波纹翅片板翅式换热器换热与阻力性能

为研究翅片结构对波纹翅片板翅式换热器换热与阻力性能的影响规律,在模化实验验证的基础上,对21种波纹翅片的性能进行数值模拟。结果表明：翅高h≤10 mm时,其对换热与阻力性能影响较小;翅高h>10 mm时,随h增大,换热性能先提高(Re=1 500、5 000时分别提高3.54%、5.98%)后降低(Re=1 500、5 000时分别降低4.2%、5.95%),阻力性能先降低(Re=1 500、5 000时分别降低2.83%、5.65%)后提高(Re=1 500、5 000时分别提高2.99%、3.98%)。随翅片间距s增大,换热性能在低雷诺数时降低(Re=1 500时降低16.02%),在高雷诺数时提高(Re=5 000时提高6.83%),阻力性能降低(Re=1 500、5 000时分别降低151.6%、73.87%)。随翅片振幅2A增大,换热性能提高(Re=1 500、5 000时分别提高49.29%、34.43%),阻力性能降低(Re=1 500、5 000时分别降低201.18%、146.2%)。随波长L增大,换热性能降低(Re=1 500、5 000时分别降低45.92%...     

翅片结构对双向开缝翅片管换热器性能的影响

为了获得翅片结构对双向开缝翅片管换热器传热与阻力性能的影响规律,对不同翅片间距P_f和开缝高度S_h的双向开缝翅片管换热器进行了数值模拟,并对数值模拟结果进行了模化试验验证。结果表明：当R_e<7200时,增大P_f会提高双向开缝翅片管换热器的传热与阻力性能;当R_e>7200时,减小P_f会提高其传热性能,降低其阻力性能;随着S_h的增加,双向开缝翅片管换热器的传热性能先降低后提高,阻力性能先提高后降低;对于不同翅片结构的5种双向开缝翅片管换热器,P_f越大,综合流动传热性能越高,但实际换热面积会减小,需综合考虑;在R_e=2734~6712范围内数值模拟与试验结果吻合较好,数值模拟能较准确地反映双向开缝翅片管换热器的传热与阻力特性。研究成果可为双向开缝翅片管换热器的结构与性能优化提供依据。     

开缝翅片换热器三维流动传热特性数值研究

建立了开缝翅片换热器三维流动传热物理模型和数学模型,针对不同开缝位置的换热单元进行数值计算。并应用场协同理论分析了不同入口速度对换热特性的影响。研究表明：对翅片进行开缝能够有效提高翅片管的换热性能、强化传热,且下游开缝比上游开缝换热效果好,全部开缝换热效果最好。随着入口速度的增大4种翅片换热量明显增强,增加入口流速也可提高换热效率,但压力损失较大。计算结果可为工程实际应用提供一定的理论指导。     

紧凑式换热器开孔翅片流动传热特性分析

对锯齿翅片和波纹翅片的不同开孔方式建立了多种三维模型,结合数值仿真方法和已有经验公式,分析开孔翅片的流动传热特性,研究翅片开孔的强化传热机理,比较不同开孔方式对流场和温度场的影响,并通过已有的实验拟合公式对仿真结果进行校验。结果表明,对锯齿形翅片,不同开孔参数对流动、散热都有不同的影响。当孔径达到一定范围后,再增加开孔尺寸并不能显著提高换热性能,却仍会导致流动阻力大大增加。对波纹形翅片,不同的开孔位置也会对空气侧流动阻力和传热性能产生显著影响。开孔位于波纹顶峰的翅片比开孔位于波纹腰部的翅片传热性能大约提高1.1%～3.8%,而空气侧压降增加了5.8%～16%。     

翅片板式传热器双流道传热与流动数值模拟

焊接型板式传热器的紧凑性好、质量轻、传热性能好、初始成本低等优越性已越来越被人们所认识,因此人们纷纷对板式传热器内流动状态和传热机理展开研究。鉴于此,本文运用数值模拟软件Fluent对全焊接翅片板式传热器双流道进行模拟,在此基础上又进行了实验研究及实验数据与数值模拟的对比分析,得出不同结构参数和操作参数下翅片的传热系数和压力降,并分析翅片高度和翅片间距对翅片传热性能与流动阻力的影响。结果表明：①固定冷侧的入口速度和温度,热侧的传热系数和压降随之热侧入口速度增加而增大;②板间距一定时,翅片高度并非越高传热性能越好;③翅片间距越小,传热性能越好。     

纵流式换热器壳侧支撑方式的数值研究

提出了一种纵流式换热器壳侧交错短杆支撑方式,并对光滑传热管束的交错短杆、短管、方形折流杆3种管间支承方式及波纹管束自支承、混合管束自支承方式,在流动与传热充分发展区段,采用湍流模型、六面体网格,运用商业软件FLUENT进行了三维数值计算。对各种支撑方式在不同的支撑间距（Ls=4.56和9.13）、不同的Reynolds数（Re＝2630、13150、26300、52600）下的传热特性、流动阻力特性、支撑的可靠性进行了优化研究。得出了各种支撑方式的壳侧Nu、压降及综合指标-h/（LΔp）与Re的关系。     

杆栅支撑纵流壳程换热器壳侧流体流动与传热的数值模拟

根据杆栅支撑纵流壳程换热器的结构特点对其进行简化,建立了周期性单元流道模型,应用CFD软件FLUENT对不同介质、不同Reynolds数、不同折流栅间距时的模型进行流动和传热的模拟、分析与比较,获得了流道内流体流动和传热的细观特征以及折流栅间距的最优取值范围,为纵流壳程换热器的研究和应用提供了一定的参考.     

涡产生器翼高对管翅式换热器流动与传热的影响

采用数值模拟方法分析了三角形小翼式涡产生器翼高分别为1.5、1.75和2.0 mm时对圆管管翅式换热器空气侧传热及纵向涡强度的影响。结果表明：在相同Re下,随着翼高的增加,Nu、阻力系数 f 以及量纲1二次流强度Se_m都增大;所研究各模型的Se_m与Nu呈唯一对应关系,并且获得了Se_m与Nu的定量关系;以强化传热因子JF作为评价准则,得出翼高为1.75 mm时能够使换热器获得较优的综合强化传热效果。     

换热器通道内反向旋转纵向涡间的干涉特性

纵向涡能以较小的压力损失获得较大程度的传热强化,在换热器空气侧强化传热中得到了广泛应用。换热器通道内通常存在多个纵向涡,纵向涡之间的干涉会不可避免地影响纵向涡的强度和强化传热性能。建立了换热器通道中旋转方向相反的两个纵向涡之间的干涉模型,通过数值方法分析了不同涡产生器横向间距下纵向涡之间的干涉现象。通过纵向涡强度定量研究了涡间干涉对纵向涡强度、流动阻力以及强化换热的影响。结果表明:旋转方向相反的两个纵向涡之间的干涉随着涡产生器间距的减小而增大;在涡产生器间距为零时纵向涡间干涉程度最大,纵向涡强度Se、Nu以及阻力系数f的变化量均达到最小值;在本文计算参数范围内,纵向涡引起的Se和Nu的变化量最大差别达到45%和50%,f的变化达到38%;纵向涡干涉并非一定不利于换热,纵向涡干涉后的流动结构影响其强化传热性能。在涡产生器横向间距为涡产生器底边横向投影长度的2倍时,可以利用纵向涡干涉获得最佳传热性能。     

湿工况下平翅片传热传质实验与数值模拟

研究了湿工况下2排错列平翅片管换热器,迎面风速在0.77～3.06 m·s^-1范围内的传热特性：潜热换热量先是随迎面风速的增加而增加,当迎面风速增加到一定值后,潜热换热量受迎面风速的影响很小;与干工况相比,湿工况下空气侧的对流换热系数有所增加。在实验研究的基础上,为降低数值求解的难度,引入了“壁面反应”来模拟水蒸气在冷壁面的相变传热、传质过程,建立了湿工况平翅片管换热器空气侧三维传热、传质的简化模型。得到了湿空气的温度分布及水蒸气组分分布,并用场协同理论就迎面风速对传热、传质的影响进行了分析。将数值计算的结果与实验数据进行了对比,两者吻合很好。     

高黏介质中内插扭带对换热管换热性能影响

某石化公司炼油厂第二套常减压装置中换热器的热交换介质为高黏度的原油及其附属产品,在对流换热过程中传热系数低,动能消耗大。针对这一现状,本文设计了一种换热管内插间歇半扭带,利用计算流体力学软件Fluent对内插间歇半扭带换热管在实际工况下的换热过程进行数值模拟,与光滑管、内插连续扭带换热管进行了对比,并给出了间歇半扭带传热元件的优化设计参数。结果表明:内插间歇半扭带大幅提高了换热管内流体的努塞尔数Nu,同时也使换热管内摩擦阻力系数f增大;间歇半扭带换热管的换热效率η比内插连续扭带换热管提高8%~12%;当间歇半扭带的扭曲率y为10、连接杆长度s为345mm时,换热效率η最高,达到2.06。研究结果为该常减压装置换热器强化传热的研究提供了理论依据。     

不同边界条件下管翅式换热器流动与传热性能的POD分析

传统的数值模拟计算时间长,很难满足现代工业发展需求。采用适体坐标与本征正交分解(POD)相结合的方法在等壁温和等热流两种边界条件下对扁管管翅式换热器进行降维计算,并将计算结果与有限容积法(FVM)计算结果进行了对比。结果表明:POD方法在等壁温和等热流边界条件下均能获得物理过程的准确信息,并将传统FVM数值计算速度提高了3093倍。采用POD方法重构温度场时,在等壁温和等热流条件下相对偏差平均值的最大值分别为0.557%和0.308%。重构速度场时,在等壁温和等热流条件下相对偏差平均值的最大值分别为1.26%和1.9%,这一结论可为换热器的数值设计中合理设置边界条件提供理论依据。