换热器结构优化与换热性能评价指标研究

某运载器中冷却器存在若干问题：壳侧压力损失较大;采用的弓形折流板结构使得壳侧工质呈现出Z字形流动,在折流板后易形成流动死区,促使壳侧结垢,使得换热器总传热性能降低。提出了两种针对壳侧结构的强化换热设计方案。方案一为减少弓形折流板数量、增加折流板间距;方案二为采用螺旋折流板替换原有的弓形折流板。为验证文中采用的热力设计方法的准确性,根据文献中的实验结果针对弓形折流板和螺旋折流板管壳式换热器热力设计方法进行了验证,结果表明文中采用的热力设计方法得到的计算数据与实验结果的偏差在37%以内,满足工程设计需求。优化方案根据优化参数不同,其优化结果有所不同,基本存在以下规律：优化设计可使换热器管壳两侧总压降减小,但同时其换热性能也下降。因此,需要一个综合指标来进行评价。文中提出以换热量Q与换热器流动阻力引起功耗的比值作为综合性能评价指标。该指标表示换热系统克服换热器流动阻力消耗单位泵功下的换热量,其值越大,单位泵功下换热量越高,经济性越好。经过计算发现最优方案相对原始方案,综合评价指标提高了约22.2%。     

帘式折流片换热器强化传热数值研究

为解决折流板换热器壳程流体阻力过大和折流杆换热器低Re下传热系数较小等管壳式换热器的不足,提出了壳程流体"斜向流"的新概念,研制了新型高效节能管壳式换热器?帘式折流片换热器,其壳程传热系数高于折流杆换热器20%～30%,而壳程压力损失大幅低于折流板换热器。以场协同原理分析了斜向流的强化传热机理,指出在帘式折流片换热器壳程中流体速度场与温度梯度场间的夹角小于折流杆换热器,是其强化传热的重要原因。对帘式折流片换热器中折流栅间距、折流片倾角、折流片宽度等重要几何参数对传热和压降的影响规律进行了数值模拟研究,并据此推导了壳程传热系数和流体阻力降准数关联式,为其工程设计和推广应用提供了参考依据。     

管壳式换热器的一种新的性能设计优化思路

结合国内生产企业实际,提出了管壳式换热器性能设计优化计算的一种新思路:(1)明确优化目标和变量,尽可能施加更为明确的约束条件;(2)根据管程流速的范围和换热管的内径,确定单程换热管数的取值范围;(3)按照采用的设计标准,确定壳体内径的取值范围;(4)最后根据壳径预估折流板间距,并按照一定策略迭代计算更新换热管长和折流板数。该思路极大减小了设计优化计算量,并可得到满足各项热力性能指标的换热器结构参数的绝大部分方案,与以往先预估传热系数法和其它智能算法相比,更为简单、直接,需要的信息更少,而得到符合要求的解决方案变得更容易、全面。     

螺旋折流板换热器简介及相关尺寸的算法

介绍了螺旋折流板换热器的起源与发展、壳程结构形式和流动原理，对其传热和阻力降的研究现状进行了总结，并给出了结构设计中相关尺寸的计算方法。目前螺旋折流板换热器的研究尚处于起步阶段，解决折流板加工和管束组装难题、提高生产效率、加快螺旋折流板换热器的推广应用是迫切需要解决的问题。     

Comparison of heat transfer performances of helix baffled heat exchangers with different baffle configurations

Numerical simulations were performed on flow and heat transfer performances of heat exchangers having six helical baffles of different baffle shapes and assembly configurations, i.e., two trisection ba...     

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。     

双螺旋结构螺旋折流板换热器试验研究

螺旋折流板换热器中壳程的流动方式与单弓形结构下具有很大的差别,在采用扇形板拼接而成的螺旋折流板结构中采用双螺旋结构来布置更多的折流板,减少流体在扇形板拼接处的漏流,使壳程流体流动更接近于平推流.分别以重柴油和水作为壳程介质,对普通螺旋折流板以及双螺旋结构螺旋折流板的传热性能、阻力性能进行试验研究,发现双螺旋结构在相同Re时,阻力提高9.9%和6.15%,Nu提高14.12%和11.72%,同时可以增大单位压降的Nu.     

不同折流板结构螺旋折流板换热器传热性能的比较(英文)

Numerical simulations were performed on flow and heat transfer performances of heat exchangers having six helical baffles of different baffle shapes and assembly configurations, i.e., two trisection baffle schemes, two quadrant baffle schemes, and two continuous helical baffle schemes. The temperature contour or the pressure contour and velocity contour plots with superimposed velocity vectors on meridian, transverse and unfolded concentric hexagonal slices are presented to obtain a full angular view. For the six helix baffled heat exchangers, the different patterns of the single vortex secondary flow and the shortcut leakage flow were depicted as wel as the heat transfer properties were compared. The results show that the optimum scheme among the six configurations is a circumferential overlap trisection helix baffled heat exchanger with a baffle incline angle of 20° (20°TCO) scheme with an anti-shortcut baffle structure, which exhibits the second highest pressure dropΔpo, the highest overal heat transfer coefficient K, shel-side heat transfer coefficient ho and shel-side average comprehensive index ho/Δpo.     

RWCE算法中采用单元重构策略激励换热网络结构优化

应用强制进化随机游走算法优化换热网络的过程中,通过监测最优结构中换热单元优化进程,探究总体结构进化特点,发现存在换热单元先入为主的现象,主体结构稳固难以被突破,导致换热网络优化进入“停滞”状态。基于此,提出了换热单元重构策略,该策略旨在增强结构变异能力,经过一定阶段概率性消除结构中既有换热单元,腾出结构进化空间,再依据约束条件重新构建换热单元,既丰富了结构多样性又扩大了搜索域。此外建立优化状态监测指标,维持结构较高的变异活性,增强算法全局寻优能力。最后将该策略加入算法流程优化多个换热网络实例,总结分析其作用机理,所得结果均优于现有文献结果,证实了该策略的有效性。     

换热网络运行模拟优化

换热网络系统大多数是按给定工况,以投资费用和运行费用最优为目标设计的。但在实际运行过程中,确定和不确定性的影响因素往往导致换热网络的运行工况偏离设计值。偏离设计工况运行的换热网络性能变差,导致运行费用增加,甚至不能满足工艺物流换热要求。在换热网络结构给定条件下,将满足物流目标温度和运行费用最优作为目标函数,以单体模型和Yee et al.（1990）提出的多级超结构为基础,建立换热网络运行模拟优化模型,并进一步去除恒定膜传热系数假设使模型贴近实际问题。针对提出的非线性数学模型（NLP）问题,以标准粒子群算法为基础建立求解策略。在论文的最后,4个来源于已发表论文的实例研究证明了该优化方法的有效性。     

基于ANSYS-CFX的管壳式换热器壳程性能的数值研究

利用Pro/E对弓形折流板换热器进行了参数化建模,采用ANSYS-CFX对换热器壳程流体的流动与传热做了模拟分析。从数值模拟的角度分析了单弓形折流板换热器壳程振动和传热"死区"产生的原因,研究了不同折流板间距、不同折流板缺口高度及不同进口流速对换热器壳侧传热和压降的影响,并在此基础上对换热器的结构提出了优化措施。     

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%。     

板间距对花板换热器综合性能影响的实验研究

介绍了花板管壳式换热器的结构及设计思想。通过实验研究表明,在相同壳程流量下,板间距为134mm时,换热器的传热系数K是板间距为163mm、147mm、123mm时的102%～110%;壳程压降Δp则约为板间距为163mm、147mm、123mm时的97%～105%;而综合性能K/Δp比板间距为163mm、147mm、123mm时高3%～9%,本实验认为最佳板间距存在于134mm～147mm之间。     

Synthesis of flexible multi-stream heat exchanger networks based on stream pseudo-temperature with genetic/simulated annealing algorithms

The synthesis of flexible heat exchanger network (HEN) is generally regarded as an over-design of process units over a specified range of deviations in process parameters from their nominal values. The HEN obtained is more costly because of the over-design of HEN. The global solution to flexible design problems cannot be guaranteed because of the resulting non-differentiable, non-convex, max–min–max constraint of mixed integer nonlinear programming (MINLP) models. In this paper a new simultaneous two-stage strategy for synthesizing flexible multi-stream HEN (FMSHEN), optimized by genetic/simulated annealing algorithm (GA/SA), is presented. First, based on the pseudo-temperature enthalpy (T–H) diagram method, a new nonlinear programming (NLP) formulation involving all of the vertices of the polyhedral uncertainty region in the space of process parameters is proposed, with the supposition that the feasible region defined by the reduced inequality constraints is convex. An over-design FMSHEN is obtained by optimizing the stream heat transfer temperature difference contribution. Secondly, the optimal structure of the over-design FMSHEN is retained and each heat exchanger area is modified in order to make the FMSHEN less costly. The total annual cost of MSHEN, obtained from the simulation of MSHEN according to the vertices of the polyhedral uncertain region, is regarded as an objective function, and GA/SA is adopted for optimizing the heat exchanger areas. The remarkable feature of the strategy is that the size and the complexity of the problem are reduced significantly and with more probability of locating the global solution. Finally, two examples are illustrated to demonstrate the performance of the strategy for the synthesis of flexible multi-stream heat exchanger networks.     

折流杆换热器

介绍了折流杆换热器的结构形式和使用特点,以同1台冷凝器为例,对比了采用折流杆或采用折流板换热器的使用效果,结果表明,在相同阻力降条件下,折流杆换热器传热系数大,传热面积小,壳体也小。     

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。     

螺旋折流板换热管水力损失数值模拟及实验

提出了一种连续螺旋折流板换热管,对其内部流场进行了数值模拟,并进行了物理模型实验验证。得到了螺旋折流板换热管的水力损失系数变化规律,数值模拟结果与实验研究结果具有很好的一致性。影响螺旋折流板水力损失的主要因素是螺旋角,相同螺旋角的折流板换热管水力损失变化规律基本相同。对于一定管径的螺旋折流板换热管,存在水力损失系数最小的最优螺距,也就是存在水力损失最小的最优螺旋角。     

折流板切口方向对管壳式换热器传热性能影响

为了研究单弓形折流板的切口方向对管壳式换热器传热与流动性能的影响,文中通过建立3个不同折流板切口方向的管壳式换热器简化实体模型,运用CFD软件Fluent对管壳式换热器壳程传热与流动状态进行了三维数值模拟。以水为壳程流体介质,在不断改变壳程进口流速,使得壳程进口雷诺数Re在10 000到70 000范围内变化时,得到了不同状态下的壳程流场与温度场。根据数值模拟结果,以总传热系数α,壳程总压降Δp以及单位压降下的传热系数α/Δp作为综合衡量标准,分析不同折流板切口方向时的管壳式换热器壳程流场与温度场。数值模拟分析结果表明:折流板为垂直切口方向时,管壳式换热器总传热系数最大,压降最小,综合性能最好,另外2种折流板切口方向的管壳式换热器综合性能差不多。     

Constrained non-linear optimisation of a process for liquefaction of natural gas including a geometrical and thermo-hydraulic model of a compact heat exchanger

A great deal of effort has been put into improving natural gas liquefaction processes, and a number of new process configurations have been described. Recent literature has identified a need for more realistic heat exchanger models to obtain optimum design and operating conditions that do not compromise safety, or that are unrealistic. Here we describe a concept for finding the design and operating conditions of a single mixed-refrigerant process which gives minimum power consumption under given space or weight constraints. We use a sophisticated heat exchanger modelling framework that takes into account system geometry and resolves the details of the heat exchanger through conservation equations coupled with accurate models of thermo-physical properties. First, we find the feasible region which does not compromise safety with Ledinegg instabilities. We then identify the optimal operating conditions for a specific design within this region, before identifying the process design that requires least power consumption. We illustrate how this differs from a purely thermodynamic optimisation, and discuss our key results.     

用遗传算法进行多流股换热器网络综合的研究

建立了多流股换热器网络综合数学模型，该模型改进了文献中等温混合的不合理假设。多流股换热器网络综合问题本质上是一个混合整数非线性规划问题(MINLP)，这类问题的非凸非线性的特性使得目标函数存在多个局部最优解。传统的基于梯度的搜索方法在处理这类问题时由于计算规模庞大且极易陷于局部最优解而不再适用，而遗传算法却为解决这类问题提供了很有希望的一个方向。因而对遗传算法求解多流股换热器网络综合问题进行了研究，提出了可以自动产生可行的多流股换热器网络的方法策略，最后通过两个例题说明所提方法是可行的。