连续螺旋折流板换热器流动与传热性能及熵产分析

采用数值模拟的方法,研究了螺旋角对连续螺旋折流板换热器流动与传热性能的影响,并以熵产数为指标对换热器性能进行了基于热力学第二定律的分析评价。结果表明,相同质量流量时壳程传热系数和压降均随螺旋角的增大而降低,且后者降低的幅度大于前者。连续螺旋折流板换热器壳程横截面上切向速度分布较弓形折流板换热器更加均匀。在靠近中心假管的内层区域,同一径向位置的轴向速度随螺旋角的增大而降低,而在靠近壳体壁面的外层区域则相反。螺旋角越大,不同径向位置的换热管间的换热量分布均匀性越好。壳程质量流量相等时,换热器中传热引起的熵产占总熵产的比重随着螺旋角的增大而增加,熵产数随着螺旋角的增大而降低。

椭圆管连续螺旋折流板换热器壳侧性能评价及三场协同分析

提出了一种新型的椭圆管连续螺旋折流板换热器。利用ANSYS CFX软件对壳侧流动与传热进行了数值模拟,并采用性能评价图及三场协同原理分析其壳侧性能。结果表明:在研究范围内,以椭圆管替代传统圆管管束后,在维持传热面积基本不变的前提下,壳侧压降降低72%～80%,综合换热性能提高32%～40%。应用性能评价图分析发现椭圆管在强化换热的同时也大大减小了压降。这是由于在相同的速度场与温度场协同前提下,椭圆管使速度场与压力场更好地协同,实现高效低阻强化传热的目的。

连续螺旋折流板换热器壳侧传热与流动特性的数值研究

基于连续螺旋折流板换热器的三维模型,采用RNGk-ε湍流模型,借助计算流体力学(computational fluid dynamics,CFD)软件对壳侧流动与传热进行了数值模拟。结果表明:同壳侧流量下,螺旋角为15°的连续螺旋折流板换热器的壳侧换热系数和压降略大于弓形折流板换热器,其余各连续螺旋折流板换热器的壳侧换热系数和压降均小于弓形折流板换热器;随螺旋角的增大,连续螺旋折流板换热器的壳侧换热系数和压降减小。通过对连续螺旋折流板换热器壳侧流体温度和速度分布的分析发现,靠近中心假管的换热管换热性能优于其他区域的换热管。最后对连续螺旋折流板换热器螺旋角的选择提出了建议。

连续螺旋折流板换热器动态特性研究

建立了可进行壳管式换热器动态特性试验研究系统,通过试验研究的方法对水-油为换热工质的连续螺旋折流板换热器动态特性进行了试验研究,进口流量扰动为等百分比流量特性,研究了四种流量扰动方式下水和油出口温度的动态响应。同时研究了在一定R e下,不同的流体扰动量对换热器进出口温升的影响,得到了换热器进出口温升与流体扰动量之间的关联式。实验表明,较于气体而言,液-液换热系统温度的动态响应时间比较长,研究发现在正负的流量扰动下,螺旋折流板换热器进出口温度变化呈现线性变化,进出口温升在正负流量扰动下其变化曲线具有对称特征。

连续螺旋折流板管壳式换热器动态特性研究及预测

建立了可进行壳管式换热器动态特性试验研究系统,通过试验研究的方法对水-油为换热工质的连续螺旋折流板管壳式换热器动态特性进行了试验研究,进口流量扰动为等百分比流量特性,研究了4种流量扰动方式下水和油出口温度的动态响应。同时研究了在一定Re数下,不同的流体扰动量对换热器进出口温升的影响,得到了换热器进出口温升与流体扰动量之间的关联式。实验表明,液液换热系统温度的动态响应时间比较长,研究发现在正负的流量扰动下,换热器进出口温度变化呈现线性变化,进出口温升在正负流量扰动下其变化曲线具有对称特征。分别建立了有限差分数值预测模型及人工神经网络模型对换热器油侧的出口温度进行了动态预测,预测结果与试验值符合良好,人工神经网络的预测结果要好于数值模拟预测,其偏差绝对值在1.3%以内,表明人工神经网络在进行复杂的系统辨识时具有一定的参考及应用价值。

连续螺旋折流板换热器动态特性的数值预测和分析

应用有限差分法对以水、油为换热工质的连续螺旋折流板换热器的动态特性进行了数值预测,提出了适用于单壳程多管程换热器的顺流、逆流串联的概念,并通过试验数据进行了校核,证明了计算模型的合理性。同时研究了壳侧流体纵向扩散效应、换热器管壁轴向导热性能及其热容等参数对换热器动态特性的影响规律,为壳管式换热器动态特性的相关研究提供了依据。

连续型螺旋折流板换热器结构及性能研究

连续型螺旋折流板换热器一直受限于加工工艺而未能得到广泛应用,本文提出采用加装中芯管的方法,实现了连续型折流板的加工,并给出了连续型折流板螺旋升角和螺旋包络面的计算方法。利用Fluent软件,与现今应用较广泛的1/4椭圆形折流板换热器的流动和换热特性进行模拟比较。结果表明,连续型折流板换热器换热能力提高了近一倍,综合性能系数也提高了近30%,虽然1/4椭圆折流板压力降较小,但其折流板的漏流,也严重降低了传热能力。为在工程中推广应用连续型螺旋折流板换热器,本文提供了理论依据和技术支撑。

无中心管连续螺旋折流板换热器性能研究

高效换热器的研究与开发一直是换热领域关注的热点问题,连续螺旋折流板结构是改善管壳式换热器性能的有效措施。针对某企业最新加工制作的无中心管连续螺旋折流板换热器,通过试验与数值模拟对其综合传热性能进行了研究。结果表明,与传统的弓形折流板相比,螺旋折流板换热器壳程流动死区明显减少,流场和温度场均匀性、场协同性增强;在试验研究范围内,其总传热系数比传统弓形折流板换热器增加了1.5%~22.8%,压降下降了10.8%~36.5%,综合传热性能增加了38.2%~49.8%,场协同数增加了4.2%~16.0%。研究结果可为工业用无中心管连续螺旋折流板换热器结构开发和性能研究提供参考与借鉴。

连续型无管束螺旋折流板加工技术

在分析了折流板的应用现状之后,就无管束连续型螺旋折流板的结构与工艺方案、加工工艺过程等问题进行了论述。

一种新型连续螺旋折流板管壳式汽车空调回热器

带有气-液回热器的空调制冷系统已经被广泛使用,对相同几何尺寸的传统管壳式汽车空调回热器和新型连续螺旋折流板式回热器进行对比性的数值模拟研究。结果表明:以制冷剂R404A为工质,在相同质量流量下,回热器整体换热量提高32.2%,总传热系数提高41.7%;壳侧为制冷剂液体,壳侧平均传热系数提高3.5倍,同时壳侧压损也提高11倍;管侧为制冷剂气体,管侧平均传热系数和压损几乎不变。换热器整体回热效率从0.21提高到0.29,提高了38.1%。

周向重叠三分螺旋折流板换热器性能比较

对采用正三角形布管且螺距相同的4种螺旋折流板换热器方案,即倾斜角为20°三分周向重叠(20°TCO)、倾斜角为18°四分周向重叠(18°QCO)、倾斜角为18°首尾相连(18°QEE)以及螺旋角为18.4°的连续(18.4°CH)螺旋折流板换热器的流动和传热性能进行数值模拟.给出了子午切面、同心正六边形切面上速度矢量叠加压力或速度云图分布以及60°扇区的9根换热管和4层同心换热管层的局部热流密度分布.结果表明:每个螺旋周期中均存在二次流,非连续螺旋折流板V形缺口处存在"逆向泄漏",但4种方案中20°TCO方案泄漏量最少;20°TCO方案具有最大壳侧传热因子jo、摩擦系数fo和平均综合性能指标(jo/fo);18°QCO方案中的传热因子jo和摩擦系数fo其次;虽然18.4°CH方案摩擦系数fo最低,但其壳侧传热因子jo和平均综合性能指标(jo/fo)均最差.

连续螺旋折流板换热器的性能研究

根据工艺条件,设计研究了连续螺旋折流板换热器的传热与阻力特性,并与传统弓形折流板换热器进行了对比。采用连续螺旋折流板换热器,特别是对于压力损失有严格要求的工况,通过提高壳程的流速,可以使总传热系数提高30%以上,同时可以降低壳程的阻力损失,提高换热器的使用寿命。

基于最大流速比的连续螺旋折流板管壳式换热器热力设计

管壳式换热器在石油、化工、中央空冷系统等工业领域中运用极为普遍,近年来的研究提出一种换热效果更好的新型连续螺旋折流板管壳式换热器。换热器的热力设计环节直接影响换热器的实际使用,然而由于可能涉及商业机密,公开文献中对于该新型换热器的热力设计环节研究较少。在传统弓形折流板设计过程的基础上,通过将连续螺旋折流板管壳式换热器与弓形折流板换热器经验关联式进行对比,提出一种新的基于最大流速比的连续螺旋折流板管壳式换热器热力设计方法;并通过对压缩机油冷器与中央空调系统干式蒸发器两个设计实例的测试验证了该设计方法的可靠性。该设计方法能够简化连续螺旋折流板管壳式换热器的设计流程,并为工业实际设计提供参考。

大螺距连续螺旋折流板换热器制造工艺研究

针对大螺距连续螺旋折流板螺旋升角大、成型困难的问题,分析了连续螺旋板成型的基本原理,提出了螺旋导向+热成型+周向力的成型方案,设计制造了连续螺旋折流板压制成型模具,压制过程中通过模具转动得到了一个完整周期的连续螺旋折流板;分析了大螺距连续螺旋折流板钻孔加工的难点,提出了采用数控加工中心铣削加工的方案。通过合理的刀具选择和装夹设计加工出了连续螺旋折流板,解决了大螺距螺旋面管孔加工问题,为大螺距连续螺旋折流板的成型及加工提供了借鉴。

连续型无管束螺旋折流板加工技术

在分析了折流板的应用现状之后,就无管束连续型螺旋折流板的结构与工艺方案、加工工艺过程等问题进行了论述。

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(火积)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(火积)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(火积)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。

折流板结构对换热器壳程性能影响的定量研究

针对弓形折流板、连续螺旋折流板换热器,采用CFD软件FLUENT,RNG k-ε模型,借助数值模拟的方法,定量地比较2种折流板结构下换热器的压降、传热系数、综合性能,并进一步分析了不同折流板结构下换热器壳程局部流场和温度场的分布特点。结果表明:同连续螺旋折流板换热器相比,弓形折流板换热器壳程速度场和温度场分布存在着明显的不连续性。弓形折流板相邻折流板间距同连续螺旋折流板螺距相同条件下,折流板螺距较小时,采用连续螺旋折流板能够明显提高换热器传热系数,但折流板结构改变对换热器综合性能的影响不大;增大折流板螺距,采用连续螺旋折流板能够明显提高换热器综合性能,但不同折流板结构下换热器传热系数变化不大。计算结果为折流板结构的选用提供了理论依据。

双壳程连续螺旋折流板换热器的数值模拟

本文提出了一种新型的双壳程连续螺旋折流板换热器。采用数值模拟方法对双壳程、单壳程连续螺折流板换热器,以及弓形折流板换热器壳侧流动与传热持性进行了对比研究。结果表明,同质量流量和对流换热系数近似相等的情况下,双壳程连续螺旋折流板换热器壳程压降比弓形折流板换热器低17.7%～23.5%,同质量流量和壳程压降近似相等的情况下,其对流换热系数比单壳程连续螺旋折流板换热器高7.1%～12.6%。

连续螺旋折流板蒸发器壳侧流动换热数值模拟研究

本文对相同几何尺寸的连续螺旋折流板蒸发器与传统弓形折流板蒸发器进行对比性的数值模拟研究,结果表明:在相同壳侧体积流量和折流板数条件下,连续螺旋折流板蒸发器的传热因子和摩擦因子约是弓形折流板的1/3和1/4;当以换热因子和摩擦因子比值评价蒸发器综合性能时,连续螺旋折流板蒸发器比弓形折流板蒸发器提高57%;当最小流通截面流速比大于2.4,螺旋折流板蒸发器比弓形折流板蒸发器有更好的壳侧换热性能。

椭圆管连续螺旋折流板换热器布管方式对壳侧传热和阻力性能的影响

以椭圆管连续螺旋折流板换热器作为研究对象,提出了三角形横置和竖置与同心圆环状和发散状四种布管方式,用ANSYS CFX进行数值模拟,并采用三场协同原理分析其壳侧综合性能。结果表明:同心圆环状布管流场最易形成旋转流动,壳侧压降最小;以三场协同原理作为评价标准得出,同心圆环状布管综合性能最优,其它依次是三角形竖置布管、三角形横置布管、同心发散状布管。