螺旋片强化的套管式换热器壳侧传热特性

为揭示螺旋片强化套管式换热器壳侧传热的机理,以指导此类换热器的进一步强化,对螺旋片强化的套管式换热器壳侧的传热和阻力特性进行了实验研究,并与光滑内管换热器进行了比较;利用可实现的k-ε湍流模型,对螺旋片强化的套管式换热器壳侧流体的流动和传热特性进行了数值模拟,研究了正交螺旋坐标系下壳侧螺旋通道中的流场结构.实验结果表明...     

润滑油在内插同轴交叉翼型涡产生器管内流动与传热特性分析

以润滑油为工质,采用数值方法对圆管内插同轴交叉等腰梯形涡产生器的管内流动与传热进行了数值模拟,分析了不同结构参数如扭率（T_r=3,4,5,6）、间距比（S_s/W=0.8,0.9,1.1,1.2）和基带宽度比（W_b/W=0.30,0.45,0.60,0.75）对圆管内插同轴交叉等腰梯形涡产生器的管内流动与传热特性的影响。结果表明：在相同Re下,平均Nusselt数Nu_m、二次流强度Se、强化传热因子JF均随扭率和间距比的减小而增大,而其与基带宽度比的变化没有明显规律,阻力系数f随着扭率的减小和基带宽度比的增大而增大,间距比对f的影响甚微。在相同结构参数下,JF和Se均随Re的增大而增大。在Re=50~1000范围内,相比于光滑圆管,内插不同结构参数的同轴交叉涡产生器的Nu_m增加了32.8%~208.6%,f增加了3.38~8.92倍,JF最大可达1.434。Nu_m与Se呈幂函数相关,内插同轴交叉翼型涡产生器管内的二次流强度决定了其对流换热强度。     

涡发生器与螺旋片强化不同曲率的壳侧传热

为考察涡发生器与螺旋片对不同曲率的套管式换热器壳侧的传热强化效果,在不同中径的壳侧安装了相同密度的螺旋片和三角翼型涡发生器。以空气为介质,在Re=680～16000范围内,采用实验和数值模拟方法研究了壳侧的传热和阻力特性,考察了不同曲率下复合强化的壳侧的综合性能,分析了传热强化机理。结果表明,曲率越大,壳侧传热系数越高,摩擦因数越大。对曲率分别为0.131、0.321和0.440的3种换热器壳侧,涡发生器将其传热系数平均提高了31.52%、20.83%和18.33%。小曲率和复合强化的壳侧综合性能更好。涡发生器改变了换热器壳侧的流场结构,提高了速度场和温度场之间的协同性,从而提高了换热器壳侧的传热效果。     

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。     

半周加热横纹管内熔盐强化传热特性

半周加热太阳能吸热器管给管内对流传热系数带来影响,基于此,建立半周加热横纹管内熔盐对流传热的实验台和数值计算模型,分析横纹管槽宽、槽深对管内熔盐传热性能的影响规律,结果表明：从横纹管绝热侧到加热侧,周向管内壁温度逐渐升高,周向管内局部Nusselt数先减小后缓慢增大至稳定。横纹管凹槽处轴向管内壁温度明显低于平滑段,凹槽处轴向管内局部Nu较大,凹槽后与平滑段交界处管内局部Nu最小。横纹管槽越宽,加热侧轴向管内局部Nu越小,管内平均Nu越小,传热综合性能评价因子PEC越大。横纹管槽越深,轴向管内局部Nu越大,管内平均Nu越大,传热强化倍数Nu/Nu _ST越大。槽宽对横纹管PEC的影响比槽深明显,槽深对横纹管内Nu/Nu _ST影响比槽宽大。通过线性拟合得到半周加热横纹管内熔盐传热Nu的关联式,其计算Nu与模拟值最大偏差在±7%以内。     

隔板高度对螺旋隔板套管换热器的影响

采用计算流体力学方法对螺旋隔板套管式换热器壳侧的传热和阻力特性进行模拟,建立了螺旋升角为40o、螺旋隔板高度分别为b, 3b/4, b/2, b/4和b/8 (b为螺距)的换热器模型,分析了螺旋隔板高度对壳程流体传热的影响. 结果表明,相同壳程工质体积流量下,换热器的壳程总换热量、换热系数和阻力系数随隔板高度增加而增加,单位长度压降随隔板高度增加而减小. 隔板高度为b, 3b/4和b/2时比隔板高度为b/8时的换热系数分别提高7.83, 3.68和3倍,壳程进出口压降分别减少98%, 97%和95%,但阻力系数却分别提高34, 15.3和5.3倍. 为提高螺旋隔板强化单管换热器的壳侧综合换热性能,其隔板高度应为1/2b~3/4b.     

螺旋缠绕波节管传热与流动性能分析

以水为工质,对螺旋缠绕波节管湍流状态下传热与流阻性能进行数值计算,分析了其强化换热的机理,并分析了波节深度H与波节间距P对其传热与流动阻力的影响。结果表明:相同工况下,螺旋缠绕波节管的综合换热性能优于螺旋缠绕光管;流体在管内做螺旋运动,由于离心力的作用,在垂直流体主流方向上产生二次流;管横截面周期性的扩张与收缩,使流体在波节内产生沿流体主流方向上的回流,它们对流体边界层产生很强的破坏作用,使湍流程度增强,对换热有较好的强化作用;随着波节深度H的增大,Nu提高,f增大,综合传热性能逐渐提高;随着波节间距P的减小,Nu提高,f降低,综合传热性能逐渐提高。     

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。     

缠绕管式换热器壳程强化传热性能影响因素分析

由于内部流场信息缺乏，结构参数对流体流动的影响规律不明确，致使缠绕管式换热器壳程强化传热机理不明晰，阻碍其设计准则的进一步规范化和通用。针对上述问题，对缠绕管式换热器壳程流体流动进行几何建模及数值模拟，并通过文献中实验数据进行验证，进而基于该模型对壳程流体流场特性进行详细分析，分析关键结构参数对其壳程传热与阻力性能的影响，并探讨其强化传热机理。结果表明：Realizable k-ε湍流模型可较为准确地描述壳程流体流动；在双对数坐标系内，壳程Nusselt数随Reynolds数的增大而增大，阻力系数f则呈线性降低的趋势；壳程Nusselt数随缠绕管直径d与平均缠绕直径D的增大而增大，随螺距S的增大而减小，阻力系数f则相反；缠绕管直径d对壳程流体传热与阻力性能的影响最大，平均缠绕直径D的影响最小；增大缠绕管直径d与平均缠绕直径D有利于破坏流体速度边界层，增强流体扰动，加快温升速度，强化壳程传热，而增大螺距S则使速度边界层变厚，减小流动阻力的同时降低温升速度，不利于壳程强化传热。     

基于螺旋片强化的套管换热器性能

基于RNG k-ε模型对螺旋片强化的套管换热器的传热进行模拟,通过模拟结果与文献中的实验结果进行对比来验证模拟的可行性;分析了Reynolds数为2362～16860范围内的螺旋升角α变化对Nusselt数和摩擦阻力系数f的影响;并考察了等泵功率下的综合传热性能PEC值的变化规律。结果表明：Nu和f的平均误差分别为7.1%和1.3%,证明所采用的研究方法是可行的;α在15°～75°范围内,Nu和f均随着α的减小而增大,特别地,当α小于35°时,f随α的减小剧烈增大;在等泵功率下,PEC值为0.84～1.93;α在15°～45°时,α为35°具有较好的综合传热性能,α为55°、65°和75°时,虽然其PEC值比35°时略高,但其Nu与35°时相比要小很多,实际应用中考虑到传热速率的问题,选择35°的螺旋升角较为合适,此时,PEC值为1.26～1.62。另外,为减小f,提出倾斜螺旋片强化的方法;螺旋升角α为35°、螺旋片倾斜角β为10°时,与普通螺旋片相比,Nu基本一致,甚至略大,而f减小了12.5%～14.5%,此时,PEC值为1.38～1.71;场协同理论也很好地验证了这一结果。     

扰流柱协同螺旋片强化套管换热器壳侧换热

对于内管外壁安装有螺旋片的套管换热器的壳侧,在螺旋片所形成的螺旋通道中心,沿螺旋方向周期性地布置扰流柱以进一步提高其换热性能,对这种扰流柱协同螺旋片强化的换热器的换热特性进行了实验研究,应用场协同理论分析了其强化机理。结果表明,在Re=4000～14000范围内,扰流柱协同螺旋片强化的换热器的传热系数为相同螺距下只安装螺旋片的换热器的1.53～2.53倍,为光滑内管换热器的3.08～4.87倍。在相同质量流量、相同压降及相同泵功条件下,扰流柱协同螺旋片强化的换热器的综合换热性能明显好于相同螺距下只安装螺旋片的换热器及光滑内管换热器;在相同压降及相同泵功条件下,保持螺距不变,安装扰流柱比螺距减小一半的综合换热性能更好;单位螺距内安装奇数个扰流柱比安装偶数个扰流柱略好。扰流柱的安装增大了径向速度,使温度场与速度场的协同效果更好,从而提高了换热效果。     

CFD simulation on shell-and-tube heat exchangers with small-angle helical baffles

Shell-and-tube heat exchanger with helical baffles is superior to that with segmental baffles in reducing pressure drop, eliminating dead zone and lowering the risks of vibration of tube bundle. This paper focused on the small-angle helical baffles that have been merely reported in open literature. These baffles are noncontinuous helical baffles with a helix angle of 10° to 30°, and their shapes are 1/4 ellipse, 1/4 sector and 1/3 sector. To assess the integrative performance, α/?p is employed, and the calculated results show that among the three baffle shapes the heat exchangers with a 1/4 sector helical baffle have the lowest pressure drop. At β = 10° and 20°, 1/4 sector helical baffle heat exchangers show the best integrative performance; at β = 30°, 1/4 ellipse and 1/4 sector helical baffle heat exchangers perform almost the same. For the study of helix angles, we found that 30° has the best integrative performance at low mass flow rate, almost the same as 20° at high mass flow rate.     

不同位置射流强化螺旋通道传热性能分析

为了进一步提高并更合理评价射流强化螺旋通道内流体换热的综合性能,改进了射流管的安装位置并提出新的强化传热评价指标。采用实验和数值模拟对比研究了在圆形截面螺旋通道的内侧壁面和外侧壁面分别施加射流的强化传热效果。数值模拟结果与实验测量结果吻合较好。基于相同质量流量,探究了射流入射角度α以及射流与主流质量流量比ε_jm对强化传热特性的影响。考虑射流带来的附加功耗增加,提出以热功系数比(hpc)为评价指标对比分析了综合强化传热效果。结果表明,在α=30°～80°、ε_jm=0.1～1.5的研究范围内,与外侧壁面施加的射流相比,内侧壁面施加的射流对流体扰动更强,传热增强效果更好,同时消耗总功耗更小。当ε_jm=0.5、α=60°时,射流对螺旋通道的综合强化传热效果最佳,内侧、外侧壁面射流下的hpc最高值分别为1.39和1.32。     

板翅式换热器翅片通道中流体流动与传热的计算流体力学模拟

针对平直形和锯齿形两种不同翅片类型,利用计算流体动力学(CFD)软件FLUENT对板翅式换热器的微小通道进行了模拟,得出了通道中流体的流动与传热特性.计算结果表明,在相同情况下,平直形和锯齿形翅片中冷热流体的局部传热系数的最大值都出现在入口处;在锯齿形翅片的相邻2个锯齿的交错面上,流体的局部传热系数和压力存在突变,流体的边界层厚度要薄于在平直形翅片中的厚度,流体的局部换热系数要和压损大于其在平直形翅片中的值.