内置多叶扭带的碳化硅换热管强化传热特性研究

为了研究碳化硅换热管的流动和传热特性,达到增强综合换热能力的目的。采用数值模拟方法对内置4种不同结构扭带的换热管进行分析,确定四叶扭带模型作为后续研究对象,对比了在4种自定义的节距和宽度两种结构参数下,不同入口风速工况的换热管的热力性能。结果表明:扭带宽度对换热管的换热能力相较于节距具有更显著的强化作用,四叶扭带节距为360 mm、宽度为45 mm时换热管的综合换热能力最强,为1.59,此时换热管的努塞尔数相较光管提升了244.37%。

纳米流体在内置扭带管中的流动传热特性研究进展

随着世界能源消耗与日俱增,能源短缺问题已经成为当下不得不解决的难题。而换热过程往往伴随着大量的能源浪费,所以提升换热效率势在必行。扭带内插物作为常见的被动强化换热元件由于其操作简单、成本低的特点成为换热行业的宠儿。另一方面,纳米流体作为新兴换热工质,其良好的热物性能也让研究人员找到了方向,从而将扭带内插物与纳米流体结合,实现双重强化换热,大大提升了换热效率。

齿状凹槽型扭带深度比对管内传热特性的影响

为探究齿状凹槽型扭带的凹槽深度比e对换热管换热特性的影响规律,通过数值模拟方法,在雷诺数Re=800~1600范围内恒壁温条件下,分别对内置深度比e为1/3、1/2、2/3、1的齿状凹槽型扭带管内传热性能进行了探究。研究结果显示:凹槽深度越大,努塞尔数Nu与PEC值均随凹槽深度的增加而增大,其中凹槽深度比e=1时换热管的PEC值明显高于其他扭带。

内置扭带管内湍流流动与传热数值模拟

为了提高内置扭带管的综合性能,开发了一种三边扭带,并对空管、普通扭带管、格栅扭带管及三边扭带管内流体流动与传热特性进行了数值模拟.以水为工质,采用RNG k-ε湍流模型,扭带扭率y=2.0,取Re=5 000~30 000,计算了扭带管内努赛尔数Nu、阻力系数f和综合性能评价因子η,与同工况下空管进行了对比.结果表明,相比于空管、普通扭带管和格栅扭带管,三边扭带管的综合性能较好,其η值比空管高出11.9%~33.2%.

内置交替轴扭带的管内层流换热特性

为了提高管内层流换热性能,开发了三种不同的交替轴扭带作为强化换热的扰流元件。通过数值模拟对内置这些扰流元件的管内换热与流动特性进行了研究,结果表明:(1)对于交替轴窄边扭带,在较低Reynolds数下Nusselt数随错位角的增大而增大;而Re较高时,错位角的影响较小。阻力系数f随错位角的变化不大,90°对应的综合性能指标PEC最高。(2)对于交替轴中空扭带,Nu在60°时达到最大值,f随错位角的增加而有较明显的增加,PEC在60°时最好。(3)对于交替轴窄边中空扭带,Re较低时,Nu随错位角增大而增加;而Re较高时,错位角的影响较小。f的最大值出现在错位角为60°时,但错位角的影响并不明显,而且比交替轴窄边扭带的f降低很多。90°错位角对应的PEC最好。(4)总体来看,采用交替轴窄边中空扭带能全面获得优良的热-水力学综合性能。

自转清洗扭带管对流传热强化机理的实验研究

具有传热强化功能的自转螺旋扭带清洗防垢技术发展较快。应用激光测速仪LDV(LaserDopplerVelocimeter)实验研究自转清洗扭带管内流体的湍流特性。结果表明 :在自转扭带的带动下 ,管内流体的流动结构发生了反常态的变化 ,在近管壁环形区域内流体的轴向分速度明显比管中心区域的高 ,轴向湍流度比无自转扭带时大 ;切向分速度随半径的增大而增大 ,并且存在很大的径向湍流度。这些结果初步说明了自转螺旋扭带管对流传热强化的机理是 :管内由扭带带动形成的强制旋流和轴向平行流叠加而形成的螺旋流动 ,以及近管壁环形区域内流速的增大 ,不仅加强了边界层流体的扰动以及边界层流体与主流流体的混合 ,并且使边界层厚度减簿 ,从而才使管内的对流传热得以强化。本文试验研究的结果为自转螺旋扭带管内对流传热强化机理的深入理论研究提供实验基础。

自旋扭带强化传热及旋转特性

旋转扭带是在固定式扭带基础上发展而来的，因其特殊结构所以能在管内流体作用下产生自旋效果。本文对自旋式扭带旋转特性及强化传热特性进行研究。通过理论及实验研究管内自旋扭带旋转特性后得出：扭率越小，扭带克服阻力起始旋转需要的流体速度越小；扭带转速与管内流体流速呈一次线性关系，且扭带节距不变时线性比例基本保持不变。通过实验研究后得出：自旋扭带能达到很好的强化传热性能，扭率越小其强化传热性能越明显，同时阻力特性也越明显，在雷诺数为4×10^3～4×10^4、扭率为3～8时，换热管内摩擦因子增至1.7～3.5倍，努赛尔数增幅为10%～37%。本文使用评估指标η对扭带进行综合评价，得出扭率为7的自旋扭带具有最佳的综合性能。并分别拟合出摩擦因子及努赛尔数与雷诺数、扭率之间的关联式，提出一种工程上自旋扭带选型方法。

热液体动力扭带清洗动力学及其工程应用

为了解决传统扭带存在自转动力矩弱和传热强化幅度低的问题,研究入口反旋斜齿扭带的动力学理论,方法是将总动力矩分解为虚拟的光滑扭带动力矩和虚拟光滑扭带下的螺旋液流对斜齿的冲推力矩之和,运用动量矩定理分析建立了动力矩计算式.以此式指导结构优化和工程应用,使自转动力矩和传热系数均比传统扭带有了成倍提高,设备总阻力仍然在工程许可范围内,成为可以广泛应用于较低流迷下自动清洗防垢与高效强化传热的新元件.

内置扭带换热管三维流动与传热数值模拟

对自转扭带换热管内流体的运动进行了分析,根据流体在自转扭带管内的切向运动特点,提出将自转扭带等效虚拟于静止扭带的思路。建立内置螺旋扭带换热管流体流动的三维物理模型,采用大型CFD软件FLUENT6.0中的RNGk-εε模型对内置扭带换热管内的流动与传热进行了数值模拟,得到了内置扭带换热管流体流动的速度、压力、湍流强度场分布规律及传热特性。比较了静止、旋转及旋转等效虚拟静止扭带换热管的传热和阻力降特性,分析了不同螺距对强化传热和阻力降的影响。速度场的模拟值与激光测速仪试验值进行了比较,二者吻合较好。

自转螺旋扭带管内三维流动与传热数值模拟

建立了内置自转螺旋扭带管的三维流动模型,采用RNGkε湍流模型对管内流场进行了数值模拟,得到了流体的流动和传热特性.研究表明:自转扭带管内的流动是复杂的三维螺旋流动.流体在扭带与管内壁环缝区域的轴向速度比光管的大;流体在与扭带宽度等直径范围内的切向速度随半径的增大而增大,流体在扭带与管内壁环缝区域内也存在明显的切向速度,但随半径的增大而减小;而光管内流体的流动只有随机的切向运动,且其切向速度要比扭带管内的切向速度小2个数量级;扭带管流体的径向速度和湍流度也比光管的大.扭带管内流体近管壁区域轴向、切向、径向速度和湍流度的加大,强化了管内的对流传热,其表面传热系数大于光管.另外,速度场的模拟值与激光测试值进行了比较,二者吻合较好.

换热器自转螺旋扭带自动阻垢技术应用研究

以内置自转塑料螺旋扭带换热器为研究对象,对换热管中有、无自转扭带时污垢的粘附速率、换热器的动态污垢热阻、管壁的磨腐速率进行了工业应用对比试验研究。研究结果表明:自转清洗扭带的防垢、除垢、清洗效果显著,扭带管的污垢平均粘附速率是普通光管的54%;动态污垢热阻比光管下降了30%;塑料扭带对管壁的磨损微乎其微。为自转螺旋塑料扭带的工业应用推广提供了依据。

内置旋转扭带换热管的传热强化机理

针对换热设备的低效率和污垢沉积问题,研究开发具有强化传热和污垢在线清洗双重功效的旋转清洗扭带技术。提出旋转扭带强化传热的机理包括:①换热管当量直径减少效应强化。②近管壁区域流速加大效应强化。③螺旋线流动流速加大效应强化。④二次流流速增大效应强化。对旋转扭带的这些强化传热机理进行理论分析,建立湍流工况下强化传热的努塞尔数预测关联式。研究结果表明:当扭率大于等于10时,当量直径减小效应和近管壁区域流速加大效应是传热强化的主要控制机理;当扭率小于10时,螺旋线流动流速加大效应是强化传热主要控制机理。二次流流速加大效应对强化传热的贡献与其他三种机理相比相对较弱,只有在扭率小于等于1时,对强化传热的贡献份额才比较大。对内置旋转扭带换热管的努塞尔数预测值与试验值进行了比较,两者吻合较好。

自转螺旋扭带管内湍流特性研究

应用激光测速仪 LDV(Laser Doppler Velocimeter) 对自转塑料螺旋扭带管的湍流特性进行了实验研究。结果表明:与普通光管内流体的流动相比,自转塑料螺旋扭带管内流体的湍流特性发生了根本性的变化:流体在自转塑料螺旋扭带的带动下,呈螺旋流动,而且在近管壁环形区域内流体的轴向分速度明显比管中心区域的高,提高幅度为 25%左右,轴向湍流度比无自转扭带的大,提高幅度为 68%左右;切向分速度随半径的增大而增大,而且切向湍流度很大,比轴向湍流度大 10 倍左右。流体的这些湍流特性的测得为自转塑料螺旋扭带管内对流传热强化机理的深入理论研究提供了实验支持。

高效传热强化斜齿扭带及其低流速自动清洗技术

现有流体动力塑料光滑扭带不能用于流速低于1.0 m·s-1的传热设备的污垢自动清洗、传热强化幅度不高.为此研制了一种高效强化传热、又能够在1.0～0.5 m·s-1的较低流速下自动清洗污垢的斜齿扭带.其原理是在光滑扭带的两面上等距离地排列斜齿,被斜齿导向的传热流体对斜齿的反作用力形成一个新增的旋转力矩.与现有的光滑扭带相比,弧线形斜齿扭带自转清洗力矩增大了75%～101%、传热系数提高了171%.虽然斜齿扭带的阻力系数较高,但是设备的总阻力仍然在一般工程容许的范围内,具有广阔的应用前景.

一种新型传热管自动清洗用强化斜齿扭带研究

光滑扭带具有自动清洗传热设备水垢的功能 ,但是在管内低流速下由于自转力矩太小而不能应用。为此研制一种能够显著增大自转力矩的强化型斜齿扭带。试验结果表明 :在管内流速相同情况下 ,强化型斜齿扭带与结构参数相同的光滑扭带相比 :自转力矩增大 2 77% ,传热系数提高 2 2 % ,流体阻力保持在工程许可的范围内。因此 。

管内自旋扭带转速的研究

通过对换热管内流体的运动分析和自旋扭带的转动力矩与阻力矩分析,推导出扭带的转速计算式。扭带转速特性的实验结果与理论推导较一致。理论分析及实验结果均表明,影响换热管内自旋扭带转速的主要因素是流体轴向流速及扭带半扭距。

圆管插入十字形扭带强化传热数值模拟

对圆管内添加两种宽度的十字形扭带的强化传热进行了数值模拟,对传热与阻力特性和PEC值进行了比较分析,模拟结果表明:通过减小十字形扭带的宽度使换热管内流体核心区域扰动,在紊流区域能在换热强化减小不大的情况下有效减小流体阻力,从而能提高换热管的性能。

管内插人扭带的强化传热数值模拟

为了定量研究管内插入扭带的强化传热方式,建立了以空气为传热介质的管内插入扭带强化传热的套管式换热器模型,进行了数值模拟研究,与实验结果相比较,在高Re的紊流流动状态下,得出了非常一致的结果.研究表明,扭转比越小,传热效果越好,同时摩擦阻力系数越大;流体温度越高,辐射传热的效果越明显,传热效果越好;压力对传热效果的影响包含在Re和Pr中.

管内插入扭带的强化传热数值模拟

为了定性及定量研究管内插入扭带的强化传热方式,建立了以空气为传热介质的管内插入扭带强化传热的套管式换热器模型,进行数值模拟研究,并且与实验结果相比较,模拟值与实验值在Re>5000时的偏差小于2%,由此可验证数学模型的正确性。从插入扭带管和光滑管的速度与温度的对比图中可看出扭带的强化传热作用。并定量地描述出扭转比以及摩擦阻力系数与传热效果的数值关系。

低流速传热管自动清洗强化齿型扭带研究

现有的塑料扭带不能用于低流速传热设备的自动清洗.为此研制了一种强化自动清洗力矩的斜齿扭带.其原理是在扭带表面上以一定间距排列不对称斜齿,被导向的传热流体对扭带的不对称反作用力形成一个旋转力矩.与现有光滑无齿的自转扭带相比,斜齿型扭带自转清洗力矩增大了277%、传热系数提高了22.8%～30.7%,对于6m长传热管、4管程的设备、0.5m/s流速时的阻力在15000Pa左右,具有广阔的应用前景.