不连续双斜向内肋强化换热管性能

引言管壳式换热器在石油化工、能源动力、造纸、制药等领域应用十分广泛,换热强化对于其节能降耗具有十分重要的意义.近30年研制开发出几十种强化换热管,例如螺旋槽管、波纹管和翅片管等,并得到了比较成功的应用.但相关的研究多数仍然停留在经验的基础上,即研究者根据其经验设计出某种具体的强化技术,然后通过实验和数值计算归纳出适用于一定范围的经验关联式.因此,传热强化研究目前仍属于技术领域[1],研究人员通常所采用的经验性的研究方法不可避免存在着一定的局限性.过增元等[2]提出了一种新的强化换热理论———对流换热场协同理论,为对…     

新型纵向流一体式翅片管换热性能数值模拟

为达到提高壳侧传热系数的同时又具有较低的压力损失的目的,提出了新型纵向流一体式翅片管。针对翅片与管壁夹角的变化影响传热效率的问题,根据有无翅片、翅片夹角的不同、翅片种类的不同,利用计算流体力学(CFD)软件建立了7种周期性单元流道,并对壳侧流场和传热场进行了三维数值模拟,分析了不同流速的介质在流道中的扰动、压降及温度变化。模拟结果表明,在所有的翅片管中翅片夹角为105°翅片管的换热系数最高,翅片夹角为105°翅片管换热系数约为光管的1.4—1.6倍,压降仅为横向掠过的圆形翅片管的0.018—0.15倍。翅片夹角为105°时,翅片管综合性能较优,对烟气换热器应用提出了数值保障。     

三角翼纵向涡内扰管传热机理及数值模拟

基于Fluent软件对相同管径的光管、波纹管、横槽管和三角翼纵向涡内扰管的数值模型都分别采用k-e湍流模型,管内壁设定为等温边界条件,在Re=3×10~4~1.5×10~5范围内和不同流速下,对四种管内不同流速下的流体的温度场进行数值模拟,得出多组不同流速流体通过四种不同的管下的工况性能差异,通过对比多组工况的出口截面温度分布和管内流体迹线分布,结合传热机理分析比较得出三角翼内扰管和光管、波纹管、横槽管内流体的流动传热性能优劣和各自的适用场合。结果表明,纵向涡传热管和其他三种管道比较,传热性能明显提高,在Re=3×10~4~1.5×10~5的范围内,对流换热系数h较光管提高了90%以上,内置三角翼纵向涡的传热管出现大的纵向涡状的螺旋流,主流区和边界层充分混合,但压降较大。     

旋转式换热器换热效果的数值模拟研究

通过流体力学计算的方法,对一种新型的旋转式换热器进行了强化传热效果的模拟计算。计算结果表明,对比于静止情况,使用该新型旋转换热器可有效增强换热效果;总传热系数随着转速的增加而增加;但增强效果随着换热器内流体表观流速的增加而减弱。旋转式换热器强化传热的机理在于旋转消弱了壁面两侧冷热流体的速度边界层及温度边界层。     

纵向涡强化圆管内换热的数值模拟及性能分析

对布置有涡发生器小翼对的圆管内部湍流流动和强化传热特性进行了三维数值模拟。研究了涡发生器的形状和对数对流动传热特性的影响并采用综合性能指标进行优化。结果表明：涡发生器后横截面上产生的多纵向涡结构使管内流体混合更加充分,促进了壁面边界层与主流的动量和能量交换,提高了传热强度。每排4对矩形小翼时的换热性能最好,Nusselt数比光管平均提高了27.2%。相同形状下,每排4对涡发生器的综合性能均高于每排3对;相同对数下,梯形小翼的综合性能最好,三角形小翼次之,矩形小翼最差。每排4对梯形小翼时的整体综合性能最优,性能评价标准达到了0.97～1.07。     

一次原表面型换热器传热性能的数值模拟

应用计算流体力学CFD(Computational Fluid Dynamics)方法,以周期性的单元控制体为模型,对一次原表面错流型换热器内三维稳态层流流场进行了数值模拟,分析了不同流动条件下控制体的传热和阻力特性,并与实验值进行了对比,结果表明,数值模拟结果与实验值符合得较好.在对速度场和温度场分析的基础上,研究了结构参数对传热性能的影响关系,为该类换热器的设计提供了可行性的方法和依据.     

相变微胶囊悬浮液圆管内换热特性模拟

相变微胶囊悬浮液在相变过程中具有较大的相变潜热,可以减小温度的变化程度,且比单相流体具有更高的对流换热系数,成为广泛关注的新型热工流体。本文针对相变微胶囊悬浮液在等热流边界条件下的管内层流,根据差示扫描量热法所得到的相变温度范围,采用矩形等效比热容模型,进行了数值模拟分析,并结合以溴代十六烷为相变材料的相变微胶囊悬浮液的实验数据,将数值模拟结果与实验结果对比并进行误差分析。又对在不同质量分数、不同热流密度条件下的对流换热进行研究,分析了不同参数对对流换热强度的影响。并通过拟合得到了相变微胶囊悬浮液圆管内对流换热关联式。然后改变管径、流速条件重新模拟验证该关联式的通用性,其结果表明模拟结果与预测公式高度吻合,该关联式的通用性较好。     

四叶片组合静态混合器湍流传热性能的数值模拟分析

采用Fluent计算软件对四叶片组合静态混合器内湍流换热进行数值模拟并与SK型静态混合器进行对比,结果表明,在104≤Re≤105范围内,前者的传热效率比后者提高约20%. 运用场协同理论对结果进行了分析,新型静态混合器传热效率较高的主要原因为,在一个截面上有4个旋向与叶片旋向相同、旋涡半径近似等于叶片半径的纵向涡及4个旋向与叶片旋向相反、旋涡半径小于叶片半径的纵向涡,这些纵向涡能强化换热;与SK型静态混合器相比,新型静态混合器管内温度梯度基本相同,管内中心区二次流流速一定程度降低,而近壁区二次流流速差别较小,但速度场与热流场的协同程度得到明显改善.     

内置扭带换热管数值模拟及结构参数优化研究

采用数值模拟方法对内插扭带式换热管换热过程进行模拟,分析了管内流动与传热特征,研究了扭带尺寸参数对管内流动与传热的影响。结果表明,随扭带余隙率增大,传热系数逐渐减小,传热性能降低,但过小的余隙率会增大摩擦阻力。传热系数随扭距增加先增大后减小,阻力系数随扭距增加逐渐减小。综合考虑扭带参数对传热与流动的影响,对换热管内置扭带的结构参数进行了优化。     

内置转子换热管旋流部分的数值模拟

研究了介质为60%甘油时内置螺旋两叶片转子换热管的传热及阻力特性,通过实验研究和数值模拟,得到了介质为高黏度流体时强化传热的模拟方法。同时,分析了单个洁能芯转子在强化管内的旋流长度,并对比分析了转子间隔对强化管传热及阻力特性的影响。模拟结果表明,在换热管长度相同的前提下,转子无间隔排列强化管的努塞尔数（Nu）是转子间隔排列时的1.073～1.078倍;但是前者的阻力系数（f）则比后者的阻力系数高出61.76%～62.01%,因而在强化传热综合性能方面,前者的综合性能优于后者,由此推断,转子的间隔排列方式有利于提高强化管的强化传热综合性能。     

一种新型裂解炉炉管强化传热数值模拟

利用计算流体动力学(computational fluid dynamic,CFD)方法对含新型内插件强化传热辐射炉管(fortified induced turbulence,FIT)进行了流体流动与传热特性的研究,采用RNG双方程模型求解了动量方程和能量方程,给出了FIT炉管内的流体流动和传热特性,包括速度场、湍动强度和温度场的分布;计算了FIT炉管的强化传热因子和压降。研究结果表明,FIT炉管内插件迫使流体流动由活塞流转变为旋转流,增强了流动湍流程度,符合流动-能量场协同理论,同时流体边界层由于FIT炉管的特殊结构而减薄。FIT炉管具有增强辐射传热、减薄边界层、增加比表面积和旋流增强等强化传热特性。相比于普通当量圆炉管,FIT强化传热炉管的整体传热能力提高了20%左右,证明该新型炉管强化传热效果显著,可以在工程实际中应用。     

孔板结构换热器传热与阻力性能的数值模拟

基于周期性全截面模型及RNG k-ε湍流模型,运用计算流体力学软件FLUENT对不同孔板结构换热器壳程流体流动以及传热性能进行了数值模拟分析,并通过文献试验数据验证了该数值模拟方法的可行性和准确性。在此基础上,对比分析了三叶孔、四叶孔、五叶孔、大圆孔、小圆孔等5种孔板结构的传热与阻力性能,探讨了支撑板等结构参数对其传热与阻力性能的影响,进一步采用场协同原理探讨了孔板换热器的强化传热机理。研究结果表明：采用RNG k-ε湍流模型以及周期性全截面模型可较为准确地模拟孔板换热器壳程流体流动情况;5种模型中五叶孔换热器的传热特性最好但阻力最大,小圆孔的传热效果最差但阻力最小;随着支撑板间距以及开孔高度的增加,换热器壳程的传热系数和压力降均逐渐降低;在支撑板后,速度矢量与温度梯度之间的夹角波动幅度变化剧烈,起到了强化壳程传热的效果;其中五叶孔板的场协同角波动幅度最大,强化传热效果最好。     

小尺度涡流发生器强化传热的数值模拟

采用数值模拟方法,对布置有不同高度小尺度涡流发生器的矩形槽道,在Re=4000～10000的范围内进行了模拟计算。结果表明,小尺度涡流发生器由于其高度的不同引起对流换热和压差的变化,分析了小尺度涡流发生器所诱导的流向涡和展向涡对强化传热影响的内在机理,并对所产生的涡旋对槽道中压力分布的变化进行了分析。采用一种综合考虑对流换热和流动阻力的评价标准对不同高度小尺度涡流发生器的传热和流阻特性进行对比评价。     

扭曲管传热性能数值模拟与实验研究

为了研究扭曲管强化传热性能,通过建立模型数值模拟和实验研究相结合的方法对扭曲管及具有相同截面形状的普通椭圆管的传热性能进行了对比分析。研究了扭曲管和椭圆管管内流体努塞尔数Nu,压力降Δp和管内综合性能评价因子η随雷诺数Re的变化情况,在Re为800—2 000时,扭曲管管内Nu是普通椭圆管的2—3倍,综合传热性能是椭圆管的1.5—2倍。得出了扭曲管可以很好地加剧管内流体湍流、强化管内传热,特别适用于管内流体在低雷诺数范围内的传热,是一种十分高效的强化传热管。     

圆管内插圆锥扭带强化传热数值模拟

提出了一种新型核心扰流元件——圆锥扭带,目的在于减小传统扭带内插件对流体所产生的过高阻力。运用Fluent进行数值模拟,分析了扭曲比为y=3.0,锥度θ分别为1∶3.6,1∶5,1∶7,1∶9的圆锥扭带在湍流状态下的流动阻力与换热性能,并与传统光滑直扭带进行了比较。模拟结果表明:圆锥扭带的努赛尔数Nu和阻力系数f比传统光滑直扭带分别减小了10%—15%和30%—50%,综合传热性能η提高10%—35%。结果表明:在较高雷诺数Re的湍流范围内,圆锥扭带在换热强化性能减小不大的情况下能够有效减小流体阻力,从而提高换热管的综合换热性能。     

管壳式换热器流体流动与耦合传热的数值模拟

结合化工行业中使用的某型号管壳式换热器的结构图和工艺参数,对换热器的结构进行了合理的简化,利用ANSYS参数化建模方法建立了管壳式换热器的参数化模型。在ANSYS FLUENT14.0数值模拟软件中对换热器的流体流动以及耦合传热进行了数值模拟,得到管程和壳程流体的流速分布、压降情况、温度场变化的细节信息。该工作对于设计传热效率高、流体阻力小的换热器进行了有益探索。     

板泡式换热器对流与导热耦合换热的数值模拟

由于在结构和强化传热方面的优越性,开孔泡沫金属在换热器行业中具有很大的应用潜力。为了探究板泡式换热器的强化传热机理,建立了泡沫金属微尺度几何模型,采用商业软件Fluent 12.1对板泡式换热器内流体流动进行了数值模拟,通过计算其速度、温度和压力分布,分析了换热器内对流与导热的耦合换热情况。研究结果表明:泡沫金属复杂的三维立体结构强化了流体的扰动,增强了二次流,起到了强化传热的作用;泡沫金属与流体分界面分别采用恒壁温和耦合换热2种边界条件时,其温度分布呈现不同特点,耦合换热边界条件更能真实反映实际温度分布情况;去除进口效应的影响,中间段流体的压力梯度随单胞模型呈周期性变化。这为板泡式换热器的设计提供了一定的依据和指导。