非对称波节管在汽汽换热中的传热及熵产分析

为了揭示非对称波节管在汽汽换热中的强化作用,本文通过数值模拟的方法研究了对称型和非对称波节管在汽汽换热中的流动换热特性及熵产分布规律。结果表明,采用非对称型结构易于使流体与壁面贴合,并增大壁面处的温度梯度,强化波节结构与流体之间的换热;高温蒸汽侧波节结构的两端和低温蒸汽侧波节结构凸出位置的局部熵产值最大,且对流换热的效应较强。随进口流速增大,对称型和非对称型结构的壁面平均努塞尔数的变化趋势基本一致,采用对称型波节结构的压降要大于非对称型波节结构,因而采用非对称型波节结构的经济性要优于对称型波节结构。     

汽-汽再热器内流动与换热特性数值研究

为了揭示汽-汽再热器的换热特性，本文首次通过三维数值模拟的方法对汽-汽再热器内的流动、换热及熵产特性进行了研究。结果显示，当高温蒸汽流速较小时，高温蒸汽侧进口处的温度梯度较大，而低温蒸汽侧出口处的温度变化不明显；随着高温蒸汽流速增大，高温蒸汽沿流程的温度梯度逐渐减小，低温蒸汽出口平均温度逐渐增大，同时换热器内局部熵产值逐渐增大；随着管壳式换热器隔板数的增加，低温蒸汽出口平均温度逐渐增大，但增幅逐渐减小。     

新型强化换热管管外流动与换热特性

针对新型强化换热管的几何特征，采用三维数值模拟方法，分别从速度—压力场协同性、综合评价因子ε、速度—温度场协同角三个方面对扭曲管、波节管、波纹管开展研究。对波纹管的实验测量结果与数值模拟结果最大相对偏差为2.35%。数值模拟结果表明，纹管管外Re从569~7 399变化，总压降从3.78增长到317.30Pa；扭曲管Re从508~7 622变化，总压降从0.84增大到62.50Pa；波节管Re为580~7 550变化，总压降从1.29增长到110.00Pa，波纹管阻力相比波节管最大提高186.7%，相比于扭曲管提高408.4%，Re<4 500时扭曲管Nu数比波纹管最大提高13.30%，比波节管最大提高6.97%，Re>4 500时波节管换热性能逐渐超越扭曲管以及波纹管，在计算范围内Nu比扭曲管最大提高5.17%，比波纹管最大提高5.40%；波节管的周期性波峰对于强化换热和减阻作用显著；波纹管的压降、强化换热表现均弱于波节管和扭曲管。根据计算结果拟合出Nu数与Re、Pr的实验关联式，为管壳式换热器设计提供一定的理论和依据。     

蒸汽蓄热器充汽过程建模仿真及优化设计

为了深入分析蒸汽蓄热器充汽过程,提出利用建模仿真的方法对充汽过程进行分析,通过建立蒸汽蓄热器充汽过程数学模型,搭建基于Simulink的仿真模型,仿真分析液侧对流强度、汽液交界面换热系数以及汽侧对流强度对于充汽过程的影响。结果表明,液侧对流越强,汽液交界面换热系数越大,汽侧对流越强,充汽过程达到饱和状态越快。因此通过强化液侧对流和汽侧对流换热能够加快蒸汽蓄热器充汽过程,对于蒸汽蓄热器优化设计具有指导意义。     

槽式太阳能DSG系统集热管内强化传热的数值模拟

为了强化集热管内蒸汽换热,避免管壁温度过高,对槽式太阳能直接产生蒸汽系统(DSG)采用内螺纹管和光管时过热段的传热及阻力特性进行了数值模拟,分析了螺纹高度、螺距和雷诺数对螺纹管内换热特性和流动阻力特性的影响,并与光管的数值模拟结果进行了比较.结果表明:内螺纹管增强了管内蒸汽扰动,提高了集热管换热性能,降低了管壁温度.螺纹管的努塞尔数Nu是光管的1.6～2.4倍,且螺纹高度越高、螺距越小,换热性能越好;螺纹管的阻力系数f是光管的3.1～8.7倍,且螺纹高度越高、螺距越小,f越大.     

超超临界汽轮机合缸轴端漏汽量对中压第1级透平级冷却性能的影响

采用耦合流场计算和共轭传热的方法,研究了超超临界汽轮机合缸轴端(过桥)汽封漏汽量(即轴端漏汽量)对中压第1级动叶及叶轮冷却性能的影响,对无蒸汽冷却、蒸汽冷却和轴端漏汽时中压第1级透平级的冷却性能进行了对比,并分析了3种轴端漏汽量时中压第1级透平级的冷却效果.结果表明:随着轴端漏汽量的增大,中压第1级透平级效率逐渐下降;当轴端漏汽量为9.68kg/s时,相比于无轴端漏汽时透平级效率降低了0.68%;轴端漏汽对中压第1级部件的冷却机理与冷却蒸汽相同,二者冷却效果的不同主要是由于其流量和温度不同;与蒸汽冷却相比,随着轴端漏汽量的增大,冷却蒸汽与轴端漏汽的混合蒸汽对叶根的冷却效果减弱,导致叶根温度整体上升,但温度梯度减小.     

表面式收能装置在电厂除氧排汽回收中的应用

通过加装表面式余热收能装置回收除氧器排汽进行节能挖潜,在不影响除氧效果的前提下,降低排汽率0.5%。在节水节汽的同时,有效消除了由于蒸汽外排造成的环境热污染及噪声污染,提高了机组整体热效率;换热管采用TP304不锈钢材质,可避免收能装置的腐蚀。     

矩形截面螺旋通道内流体绕管流动特性的数值研究

基于Fluent软件采用数值计算方法建立了混合计算模型,对螺旋通道和直通道内流体绕换热管的换热特性进行研究,对比了2个通道中流体绕换热管流动的热工特性。结果表明:螺旋通道内侧脱点角度小于外侧脱点角度,且脱点均分布在湍流区域内;螺旋通道比直通道具有更高的Nu_m;β=15°和20°螺旋通道换热管壁面迎风侧Nu_m相比直通道分别提高4.0%和4.5%,背风侧则分别提高14%和18%;当螺旋角β=40°附近,螺旋通道达到最佳强化换热管壁面换热效果,螺旋通道内换热管壁面Nu_m相比直通道提高19%。     

重力热管单线内螺纹分布强化换热实验研究

采用实验方法,研究了不同的内螺纹分布和油浴温度等因素对热管换热特性的影响。实验选用的热管材料为紫铜,外径16 mm,壁厚3 mm,长度为200 mm,传热工质为水,充液率为20%。实验结果表明:在同一油浴温度下,内螺纹重力管的启动特性要优于光滑重力热管。对比不同油浴温度下,布置内螺纹能够有效地降低热管的工作温度。实验选型的内螺纹仅布置在蒸发段不会提高热管的换热系数,而在绝热段和冷凝段布置内螺纹则能够使换热系数显著提升,且随油浴温度的增加,换热系数线性增加。     

汽-气凝结气膜分布及对换热特性的影响

基于双边界层理论,考虑气膜内诱导速度、气液界面剪切力和压力梯度等因素的影响,建立了在水平管外汽-气凝结换热过程中所形成气膜厚度的数学模型,并讨论了气膜分离情况.结果表明:沿管壁向下,气膜厚度逐渐增大;当气膜发生分离时,气膜厚度在分离点处急剧增大,且随流速增大而减小;当气膜不发生分离时,气膜厚度在管壁底部附近急剧减小,且随流速增大而增大;气膜厚度随壁温升高而增大,随不凝结气体质量分数增大而增大;气膜厚度及气膜分离对换热特性有一定的影响.     

波节管纵向逆流换热性能的三维数值模拟研究

本文基于k-ε模型,针对波节管高效换热元件中纵向逆流换热的传热特性和阻力特性进行三维数值模拟研究。传热工质在管程和壳程分别为氦气和氮气,管束采用三角形布置。本文首先分析了不同波距及雷诺数下对换热量影响。为了体现高效换热元件比光管的优越性,随后分析了不同波距及雷诺数对Q/Q0(波节管与光管的换热量比)与Δp/Δp0(波节管与光管的压力降比)。最后得出结论,波距L的增加使高效换热元件的传热性能和阻力性能有所降低,但提高了其综合传热性能。雷诺数的增加会大幅提高换热量,但同时综合传热效率也大幅降低。     

新型横纹螺旋盘管强化传热的数值模拟

为了增强螺旋盘管的传热性能,对现有的普通螺旋盘管进行优化设计,提出一种管壁向内凸起形成环肋的异型管,称为横纹螺旋盘管。通过数值模拟方法对横纹螺旋盘管和普通盘管内部流动和传热过程进行模拟。应用场协同原理对其速度场和温度场的协同作用进行分析。实验数据与仿真结果的误差在5%以内,验证了数值模拟方法的正确性。在不同Re(雷诺数)条件下,计算两种盘管的Nu(努塞尔数),进而与Gnielinski(格尼林斯基)修正公式计算结果进行比较,误差在10%以内。结果表明:环肋结构通过工质旋转流动破坏边界层厚度,改善了管内速度场与温度场的协同程度,从而实现了强化传热。在较高的Re范围内,横纹螺旋盘管的Nu为普通盘管的1.29~1.43倍。因此,横纹螺旋盘管具有更好的传热性能,为异型螺旋盘管的研究及工程应用提供一定的理论依据。     

Heat transfer augmentation in 3D internally finned and microfinned helical tube

Experiments are performed to investigate the single-phase flow and flow-boiling heat transfer augmentation in 3D internally finned and micro-finned helical tubes. The tests for single-phase flow heat transfer augmentation are carried out in helical tubes with a curvature of 0.0663 and a length of 1.15 m, and the examined range of the Reynolds number varies from 1000 to 8500. Within the applied range of Reynolds number, compared with the smooth helical tube, the average heat transfer augmentation ratio for the two finned tubes is 71% and 103%, but associated with a flow resistance increase of 90% and 140%, respectively. A higher fin height gives a higher heat transfer rate and a larger friction flow resistance. The tests for flow-boiling heat transfer are carried out in 3D internally micro-finned helical tube with a curvature of 0.0605 and a length of 0.668 m. Compared with that in the smooth helical tube, the boiling heat transfer coefficient in the 3D internally micro-finned helical tube is increased by 40-120% under varied mass flow rate and wall heat flux conditions, meanwhile, the flow resistance is increased by 18-119%, respectively.     

Numerical simulation of the effects of trefoil tube support plates on the flow and heat transfer characteristics of a steam generator

A three-dimensional coupled model of heat transfer tube and trefoil tube support plate (TSP) is developed based on a full-size steam generator (SG). The CFX thermal phase change model is adopted to numerically investigate the flow and heat transfer behaviors of the secondary side fluid. And the effects of trefoil TSPs and inlet subcooling on the thermal-hydraulic characteristics of tube bundle are obtained. The calculation model reasonably reveals the distributions of the flow and heat transfer parameters in the SG, especially in trefoil TSP regions. Based on the across flow velocity and density of the secondary side fluid in U-bend region, the most severe flow-induced vibration damage is predicted at the angles of 110° on the hot leg and 60° on the cold leg, respectively. Due to the effects of trefoil TSPs, vortexes are induced, the outer wall temperature in the circumferential direction shows periodic characteristic in TSP regions, which increases the possibility of aggressive solutes deposition and U-tubes rupture. In addition, inlet subcooling of the secondary side fluid has significant effects on the SG. As inlet subcooling decreases, the heat transfer is enhanced. The numerical simulation results obtained may provide guidance to facilitate the optimal design and in-depth thermal-hydraulic analysis of TSPs and SGs.     

螺旋管内水和蒸汽局部传热特性研究

以高温气冷堆蒸发器为背景,采用FLUENT软件模拟了单相水和蒸汽在不同尺寸螺旋管内部的流动和传热过程,研究了壁面局部传热特性。计算结果表明,远离螺旋中心线一侧局部传热较强而靠近螺旋中心线一侧传热较弱,壁面Nu周向分布非常不均匀。管径与螺旋直径之比是主要影响因素,当其值增大时截面温度极值点向螺旋中心线外侧移动,加剧了温度分布和Nu分布的不均匀性。在层流向湍流过渡区内,Re的增大使截面各点温度梯度均有所增加,同时也增大了Nu周向分布的不均匀程度,但在旺盛湍流区内Re对Nu分布无明显影响。壁面热边界条件形式对局部Nu周向分布没有显著影响。给出了局部Nu的估算式。     

极地船波纹换热管冲蚀磨损研究与防护

针对极地船波纹管换热器中进入冰晶颗粒对管路产生严重腐蚀磨损问题,采用CFD中欧拉-拉格朗日离散框架的DPM模型及腐蚀磨损模型研究流速、冰晶颗粒直径和含冰率条件变化对水平直波纹管磨损特性的影响。结果表明:波纹管磨损严重位置发生在波纹与直管衔接处、波谷处以及与流速相对的波峰面,且出口直管段磨损最为严重,而水平光滑圆管顶部位置磨损比较严重,但波纹管的磨损率均大于相同条件下光滑直管的磨损率;流速对磨损率影响最大,可使波纹管使用寿命减少10倍以上;冰晶颗粒直径对波纹管磨损影响较小;含冰率对管壁磨损也有很大影响,含冰率为10%时波纹管使用寿命比含冰率为2%时的减少4.2倍。根据以上研究结果提出了相应的防护措施。     

基于有限元方法的横掠错排光滑管束传热与流动特性研究

使用有限元方法对横掠不同型式措排光滑管束进行了计算分析，绘制了速度场和温度场的色差梯度图，比较了它们的传热与流动性能。有限元分析方法作为热分析和流动分析研究的有力工具，可以与实验研究相结合作为研究管束传热与流动性能的一种新方法。研究结果对于横掠光滑管束的优化设计具有一定的指导意义。     

Analysis of coiled-tube heat exchangers to improve heat transfer rate with spirally corrugated wall

Steady heat transfer enhancement has been studied in helically coiled-tube heat exchangers. The outer side of the wall of the heat exchanger contains a helical corrugation which makes a helical rib on the inner side of the tube wall to induce additional swirling motion of fluid particles. Numerical calculations have been carried out to examine different geometrical parameters and the impact of flow and thermal boundary conditions for the heat transfer rate in laminar and transitional flow regimes. Calculated results have been compared to existing empirical formulas and experimental tests to investigate the validity of the numerical results in case of common helical tube heat exchanger and additionally results of the numerical computation of corrugated straight tubes for laminar and transition flow have been validated with experimental tests available in the literature. Comparison of the flow and temperature fields in case of common helical tube and the coil with spirally corrugated wall configuration are discussed. Heat exchanger coils with helically corrugated wall configuration show 80–100% increase for the inner side heat transfer rate due to the additionally developed swirling motion while the relative pressure drop is 10–600% larger compared to the common helically coiled heat exchangers. New empirical correlation has been proposed for the fully developed inner side heat transfer prediction in case of helically corrugated wall configuration.     

三叶膨胀管换热器壳程强化传热的数值研究

三叶膨胀管是一种新型强化传热管,针对纵向流换热器特点,设计了三种不同管束结构参数的三叶膨胀管自支撑纵向流换热器。应用FLUENT软件及Realizable k-ε湍流模型,对三种不同结构参数的三叶膨胀管换热器壳程强化传热特性展开了数值模拟,并通过与实验数据的对比,验证了计算模型的可靠性。计算了不同壳程介质流速下,三叶膨胀管换热器壳程的换热系数与压降值,并获得了壳程流体流线以及相应的温度场、速度场和二次流分布图。结果发现,在壳程水流速一致的情况下,管束横向间距越大的三叶膨胀管换热器,壳程拥有更高的综合换热性能和更低的压降值,但相应地,换热系数也更低。流场分析显示,壳程流体流线呈现出三维纵向旋流形态,二次流的出现改变了速度场和温度场分布,二次流的强度随着管束横向间距的减小而增大。     

管内填充多孔介质强化换热的数值研究

管内填充多孔介质强化换热的基本原理是构造热边界层,增大壁面附近流体的温度梯度,并且流动阻力增幅不大。本文运用数值模拟的方法,模拟填充多孔介质管内的流场和温度场,探讨填充比例φ、渗透率Da以及空隙率ε对管内对流换热的影响规律。研究表明,提高填充比例φ和减小渗透率Da都能明显提高换热效果,但也增加了管内流动阻力。空隙率ε对强化换热作用不大,但高空隙率可以明显降低管内流动阻力,在实际中应选用空隙率较大的多孔介质。