周向重叠三分螺旋折流板换热器壳侧传热性能

探析了周向重叠三分螺旋折流板换热器高效强化传热性能的主要机理,周向重叠三分螺旋折流板换热器除了具备螺旋折流板换热器的一般特点外,还同时具有适合正三角形布管方案和防相邻折流板之间短路的功能;指出周向重叠方案相邻折流板连接处三角区内的一排管束可以有效抑制因上下游通道的压差引起的逆向泄漏;介绍了倾斜角为20°、24°、28°和32°的单头螺旋、32°双头螺旋周向重叠三分螺旋折流板换热器和弓形折流板换热器的试验结果,表明试验范围内的最佳方案是倾斜角20°方案,其平均壳侧传热系数、压降和综合指标(h_o/Δp_o)与弓形折流板换热器的数值之比分别为1.122、0.566和2.035。     

三分螺旋折流板换热器水-水传热壳侧综合性能

对倾斜角为10°、15°和20°的扇形折流板,倾斜角为15°的椭圆折流板和倾斜角为20°的轴向搭接扇形折流板三分螺旋折流板换热器以及弓形折流板换热器的传热特性和压降性能进行了测试试验研究,其中螺旋折流板全部采用分区布管结构,有48根管子,而弓形折流板换热器有49根管子。试验数据分析采用轴向Reynolds数Re_z,o作为自变量,壳侧Nusselt数Nu_o、轴向Euler数Eu_z,o等参数作为因变量,并采用Nu_o/Eu_z,o量纲1组合数作为综合性能指标。在试验范围内,20°s方案的综合性能指标最高,比弓形折流板换热器方案平均提高69.8%;倾斜角最小的10°s方案的综合性能低于弓形折流板换热器方案;轴向搭接折流板换热器方案的综合性能低于相同倾斜角外圈连接折流板换热器方案,而椭圆折流板方案的综合性能低于相同倾斜角的扇形折流板方案。     

当量螺旋角对三分螺旋折流板换热器性能的影响

提出了非连续螺旋折流板换热器的当量螺旋角定义,并建议以组合数ho/Δp1o/3来反映换热器的综合性能。对可拆卸芯体管束折流板的倾斜角为10°扇形、15°扇形、15°椭圆、20°扇形、20°扇形搭接的三分螺旋折流板换热器和弓形折流板换热器进行了传热和压降性能测试实验。实验结果表明:其中当量螺旋角最大的20°倾斜角扇形折流板方案的壳侧换热系数最高且压降较低,其综合性能指标ho/Δp1o/3比弓形折流板换热器的数值高26%左右;20°倾斜角扇形搭接方案与当量螺旋角相仿的15°倾斜角扇形方案的性能大致相当;15°扇形方案比当量螺旋角较小的15°椭圆方案的性能更高。可见对换热器的性能起决定作用的是当量螺旋角而不是倾斜角;实验预示在当量螺旋角更大的范围存在最佳值。     

螺旋折流板换热器研究进展

文章主要对螺旋折流板换热器的结构、性能及制造的研究进展进行了综述。螺旋折流板换热器主要有连续折流板和非连续螺旋折流板两种结构。相比于传统弓形折流板换热器,螺旋折流板换热器具有传热性能好,壳侧压力降小,抗振动,防止结垢,气固分离性能良好等优点。螺旋折流板制造加工相对困难,未来研究重点是简便、可靠的设计制造方法。     

新型六分扇形螺旋折流板换热器壳程传热及流动特性

针对现有四分螺旋折流板换热器中心区域漏流明显的特征,提出了一种新型的六分扇形螺旋折流板换热器。建立了六分扇形螺旋折流板换热器的三维物理模型,应用Ansys CFX软件对其壳程流动与传热特性进行数值模拟,分析了不同螺旋角(10°、20°、30°、40°)和不同工况下六分扇形螺旋折流板换热器的壳侧性能,并与传统的弓形折流板换热器作对比。结果表明,六分扇形螺旋折流板可以显著减少三角区漏流现象的发生,壳程流体旋流特性较好。随着螺旋角的增大,壳侧速度场与温度场分布更加均匀,综合换热性能逐步提高。     

折流板间距对六分螺旋折流板换热器壳程传热性能的影响

通过fluent软件在相同的进口速度、进口温度和换热管壁面温度下对不同折流板间距的六分螺旋折流板换热器模型进行壳程性能模拟,对折流板间距为50,55,60,65,70 mm且螺旋角都为10°的换热器的压降、传热系数和综合性能进行对比分析,最后通过JF因子来比较分析其壳程综合性能。研究结果表明：六分式螺旋折流板换热器的压降值随着折流板间距的增大而减小;传热系数随着折流板间距的增大而减小;综合性能随着折流板间距增大而增大。通过对JF因子的比较分析发现折流板间距为70 mm的六分螺旋折流板换热器的性能最优。     

螺旋折流板与弓形折流板换热器的性能比较

针对螺旋折流板换热器的折流板的角度提出了一些改进措施。在自行设计的换热原理试验台上,5#柴油走壳程,水走管程,分别对12°,18°的单螺旋和18°的双螺旋折流板和弓形折流板换热器的阻力和传热性能进行了试验研究。试验结果表明,螺旋折流板阻力只有弓形的30%,此外,在同样的压降下,螺旋折流板传热效率也提高10%。     

三螺旋折流板换热器多流路通道流动与传热数值模拟

为了增加大螺旋角下单位长度换热管上螺旋折流板数量提高换热,提出三螺旋折流板导流结构,对设置三螺旋折流板后壳程流体的流动与传热进行了数值模拟,重点考察了Reynolds数Re=1391～4174时的壳程压降及对流传热系数,与设置单螺旋折流板的对比结果表明：三螺旋折流板换热器壳程对流传热系数高27.9%,JF因子高13.67%,综合传热性能更好。在此基础上运用耗散理论分析了三螺旋折流板采取不同螺旋角时对换热效率的影响,发现由传热引起的耗散率随Reynolds数变化规律与壳程对流传热系数随Reynolds数的变化规律类似,相同流量条件下螺旋角为64.8°的换热器耗散率最小。另外,中心换热管与壳壁附近换热管的传热系数比较结果显示,中心管热交换量均低于壳壁附近换热管热交换量。     

螺旋折流板换热器折流板尺寸及相关计算

主要介绍了螺旋折流板换热器的结构特点、折流板的尺寸确定及定距管长度的计算。     

螺旋折流板换热器流动与传热数值模拟

应用Fluent软件,建立了螺旋折流板换热器壳程通道的三维物理模型,采用RNGκ-ε模型,对壳程内的流动与传热进行了数值模拟,得到了换热器内的速度场和压力场分布情况。通过实验测试,将模拟结果与实验结果进行比较,并根据单位压降下的传热系数对比了螺旋折流板换热器与弓形折流板换热器的性能差异。     

螺旋折流板管壳式换热器壳程局部传热及流阻

文中对螺旋折流板管壳式换热器壳侧局部传热、局部流速及阻力性能进行了实验研究,测量结果表明,其壳侧局部传热膜系数与点速度是沿换热器的径向距离增大而增大,且局部传热膜系数的变化规律与相应点速度变化规律相一致。所取6个测量位置点分布较为均匀,基本上反映了换热器局部相应换热及流场分布规律。同时文中归纳出换热器壳侧的平均努塞尔准数Nu与雷诺准数Re的关联式及流动阻力系数f与雷诺准数Re的关联式,为换热器的实际运用提供了参考依据。     

射流强化螺旋通道内流体流动与换热的数值模拟

采用CFD软件模拟了射流作用下圆形截面螺旋通道内流体的流动及强化传热特性,模拟结果与实验结果吻合较好。研究了无量纲曲率?=0.061、无量纲螺距?=0.121的螺旋通道内复合涡旋结构及其演变过程,考察了射流入射角度?=π/6~π/3、射流速比?j=3~6时射流对螺旋通道换热的强化效果。结果表明,射流的初始阶段,射流的冲击作用抑制了单一螺旋通道内的离心二次涡旋,生成一对与其旋转方向相反的射流诱导涡旋,随流动发展,射流诱导涡旋先由两涡演变为单涡结构而后逐渐耗散消失。射流作用显著强化了螺旋通道内侧壁面附近流体的换热,随着?减小或?j增大,强化传热效果增强。?j≥4时,不考虑射流流量增加时综合强化传热因子JF1=1.26~1.67,考虑射流流量增加时JF2=1.008~1.19。     

螺旋折流板换热器壳程流动特性

可视化实验研究了透明螺旋折流板换热器的壳程速度分布特征,重点研究了轴向速度的分布规律及对应的机理。结果表明,轴向速度按照折流板的螺旋周期呈周期性变化,不同流量下同一测点的轴向速度分布规律相似。轴向速度在换热器壳程周边区域分布比较均匀,沿轴向变化幅度较小,流动相对稳定,湍流度较低。由于受三角区漏流的影响,管束中心区域轴向流速急剧增大,沿轴向变化幅度较大,稳定性差,湍流强度较高。中心区域轴向速度平均值明显高于外围区域,离换热器中心越近,轴向速度越大。随着壳程流量的增大,中心区域轴向速度的增幅高于外围区域。管束中心处轴向速度波动剧烈,壳程流量较小时,中心处轴向流速平均值最大,随着流量的增加,湍流度增大,流体返混现象明显,中心处轴向流速平均值逐渐减小。     

变螺距搭接螺旋折流板换热器综合性能

为解决三角区漏流对壳程综合性能的影响,设计提出变螺距搭接螺旋折流板换热器,并进行了数值模拟和综合性能分析。结果表明,变螺距搭接螺旋折流板换热器的综合性能主要受螺旋角组合方式、螺旋周期数量和工质物性参数影响;在一定程度上能够实现优化三角漏流区的目的,某些螺旋角组合方式下的换热器综合性能明显优于相同螺旋角下的等螺距换热器;当变螺距螺旋折流板换热器与等螺距螺旋折流板换热器综合性能相同时,其还具有强化壳侧传热或节省折流板用耗材和便于安装的优点。     

Performance comparison of heat exchangers using sextant/trisection helical baffles and segmental ones

The shell side flow fields of both sextant and trisection helical baffle heat exchangers are presented on meridian and multilayer hexagon slices. It verifies that the performance of sextant schemes is better than those of the other kinds of helical baffle heat exchangers. The main mechanisms are due to the restricted leakage flow in the minimized gaps with increased baffle number and by one row of tubes dampen the leakage flow in the circumferential overlapped area of the adjacent helical baffles. The performance features were simulated on two different angled sextant helical heat exchangers and each compared with two trisection ones of either identical helical pitch or identical incline angle. The results verified that the performances of helical heat exchangers are mainly determined by the helical pitch rather than the baffle incline angle. The average values of comprehensive index h_oΔp_o^-1/3 of the trisection helical schemes T-24.1° and T-29.7° are correspondingly 3.47% and 3.34% lower than those of the sextant ones X-20° and X-25° with identical helical pitches. The comparison results show that the average values of shell side h.t.c. h_o and comprehensive index h_oΔp_o^-1/3 of the optimal dual helix sextant scheme DX30° are respectively 7.22% and 23.56% higher than those of the segment scheme S100.     

折面螺旋折流板换热器的流动传热性能

针对现有平面螺旋折流板换热器的相邻折流板与壳体间存在的三角漏流区,提出了一种折面螺旋折流板换热器。基于实验研究分析了折面螺旋折流板换热器的螺旋角和搭接度对流动传热性能的影响,并拟合了壳程对流传热和阻力系数的实验关联式。结果表明,当壳程体积流量相同时,随着螺旋角的减小,折面螺旋折流板换热器的壳程总压降增加,壳程管束压降增加,壳程膜传热系数提升,综合性能增强;相同壳程体积流量下,随着搭接度的增加,壳程总压降也增加,壳程膜传热系数增加,综合性能提高。实验研究表明螺旋角18°、搭接度50%的折面螺旋折流板换热器流动传热性能最佳。将折面螺旋折流板换热器的螺旋角和搭接度作为修正因子拟合到了实验关联式中,对比发现实验值与Nu实验关联式计算值的平均相对误差为1.13%,与f实验关联式的平均相对误差为6.84%,说明了拟合的正确性和可靠性。研究结果为折面螺旋折流板换热器的设计提供了理论指导。