基于内管移动的卧式管壳式相变储热器储热性能优化研究

相变储热技术能够实现对固态储放氢过程热量的回收和供给,实现固态储氢罐内的自热平衡,提高储放氢性能。研究针对卧式管壳式相变储热器,提出了一种新型的内管偏心放置绕中心轴线旋转的运动方式,采用Fluent数值模拟软件,基于动网格技术编写了用户自定义函数UDF,重点研究了内管偏心距离与旋转速度对储热性能的影响。结果表明:与传统中心内管静止布置相比,偏心内管的旋转运动能够显著提高储热性能,当偏心距离为9 mm,旋转速度为0.10 r/min时,储热时间达到最小值,储热时间减少了92.16%,时间平均储热速率是内管静止布置的11.51倍;当偏心距离为9 mm,旋转速度由0.30 r/min减少至0.10 r/min时,储热时间减少了13.57%;当旋转速度为0.10 r/min,偏心距离由3 mm增至9 mm时,储热时间减少了70.48%。该研究结果可为卧式管壳式相变储热器在储氢领域的性能优化研究提供新思路。

双螺旋盘管内膨胀石墨对相变材料的传热强化机制与蓄放热性能

本工作提出了一种双螺旋盘管与膨胀石墨强化传热的相变蓄热器结构,通过建立双螺旋管相变蓄热器模型,模拟了双螺旋管的螺距、材料热物性对蓄放热性能的影响规律。探讨了限制空间下相变材料自然对流与材料导热增强在传热强化过程中的控制作用。结果表明,在加工螺距限制条件下,减小螺距及增加螺旋数可以提升蓄热器放热性能。膨胀石墨可以提升相变材料热导率,同时会导致材料黏度增大,因此添加膨胀石墨能增强蓄热器的导热换热,但抑制自然对流换热。通过对比分析发现,在限制空间下材料的导热增强带来的传热强化程度能够弥补由于材料自然对流不足导致的传热损失。因此,本工作揭示了相变蓄热器传热强化的控制步骤在于材料热导率强化。基于实验和仿真结合的方式,本工作设计了一款用于加热生活热水的蓄热器结构,验证了所设计的蓄热器在宽进口温度、进口流量等操作工况下具有优异的放热性能。该蓄热器与电加热器相结合,能够在电热功率小于2200 W的条件下实现热水加热功率超3500 W,突破了家用电热设备的功率限制。

U形污水换热管中颗粒污垢沉积特性研究

分析了不同污水流速、污水黏度、颗粒浓度及颗粒粒径下颗粒污垢在换热壁面上的沉积、剥蚀及热阻的变化情况。结果表明:污水的流速、黏度及颗粒的浓度对颗粒污垢的沉积情况影响较大,在其他参数不变的情况下,当流速由0.5 m/s增大到1.5 m/s时,沉积速率增大了2.3倍,剥蚀达到稳定的时间缩短为原来的1/6,污垢热阻减小56%;当污水的黏度由0.0010 Pa·s增大到0.0030 Pa·s时,剥蚀达到稳定的时间延长1.27倍,污垢热阻增大1.25倍;当颗粒浓度由400 mg/L增大到800 mg/L时,剥蚀达到稳定的时间增加约1倍,污垢热阻增大约1倍;颗粒粒径对污垢沉积特性的影响较小,当颗粒粒径由1μm增大到40μm时,沉积速率仅增大14%,污垢热阻仅增加12.8%。研究结果可供污水换热器设计、运行及除垢参考。

地下含湿岩土热渗耦合模型及换热埋管周围土壤温度场数值模拟

考虑了地下水的渗流作用和U型换热埋管的实际形状,建立了U型管地下换热器管内流体以及周围土壤热渗耦合物理数学模型。模型将土壤视为均匀的、各向同性的饱和多孔介质,土壤中水的渗流视为二维。管内湍流流动采用Realizable k-ε模型,数值计算采用Fluent软件。给出了管内流体以及周围土壤的温度分布数值模拟结果,分析了土壤中水的渗流对传热过程的影响、U型管两支管的热短路作用及回填材料对土壤温度场的影响。所得结论对地下换热器的设计具有理论意义。

垂直U型地埋管换热器的数值模拟分析

采用Fluent软件对垂直U型地埋管三维非稳态热渗耦合换热进行研究。分析了土壤热物性、管内流速、渗流速度以及回填材料的导热系数对地埋管的换热影响。结果表明:地埋管的换热量分别与管内流速、渗流速度、土壤的导热系数以及回填材料的导热系数成正比,通过拟合分别获得平均每天换热量与管内流速、渗流速度和回填材料导热系数的关系式;土壤的热扩散系数对地埋管的热作用半径影响显著;同时渗流速度越大,换热稳定时间越短,土壤圆周方向上各点温度相差越大,且土壤温度场恢复能力越好。

热渗耦合作用下U型埋管换热器的数值模拟

针对土壤耦合热泵地下U型换热埋管,建立了管内流体以及换热器周围土壤热渗耦合物理数学模型。所建模型考虑了U型管的实际形状,土壤考虑为饱和多孔介质,管内湍流流动采用R ea lizab le k-ε模型。采用F luen t软件对模型进行模拟计算,得到了管内流体以及周围土壤温度分布。分析了土壤中水的渗流对传热过程的影响,并对考虑渗流作用时不同土壤物性对单根U型垂直埋管换热器周围土壤温度场进行了模拟计算与分析。

U型地埋管换热器的传热性能数值模拟

针对土壤源热泵系统中单、双U型地埋管换热器的传热问题,建立三维几何模型,用FLUENT软件进行模拟计算,在相同工况下对比分析了钻井深度、流体速度、保温层等对单、双U型埋管换热器的单位井深换热量、流体出口温度及热短路的影响.结果表明,双U型埋管换热器的单井换热量比单U型增加30%以上;无保温层时,双U型埋管换热器的热短路问题较严重;出口管外敷设保温层可有效减小热短路的影响,使单、双U型管换热器单井换热量均增加15%以上,且双U型埋管换热器的综合性能更优;保温层的最佳长度约为120 m.

基于元体能量平衡法的垂直U型埋管换热特性的研究

基于元体能量平衡法建立了垂直U型埋管的传热模型,模型考虑了流体温度的沿程变化,并通过引入热干扰角与等效传热间距反映两管脚间的热干扰问题,使之更符合实际的传热情况。通过所建模型对U型埋管的换热特性进行了数值模拟,结果表明:增加土壤与回填物导热系数、管脚间距、管内流体流量及减小管脚热干扰角与进口流体温度(供热工况下)均可以增强埋管的换热效果,其中土壤导热性影响最为显著。但回填物导热系数不可无限制增大,其大小还要考虑对增强管脚间热干扰的影响及其与管脚间距的相互关联性。同时,流量的增加要考虑对流动阻力增加的限制,可以采用变流量设计来进行调节与优化。此外,为了充分发挥地源热泵的能效,实际设计应该考虑埋管、热泵及负荷三者间的相互匹配性。

翅片管氟塑料换热器的流动传热特性

为提升氟塑料换热器的流动传热性能,分析了翅片管氟塑料换热器的热阻占比,通过建立翅片管氟塑料换热器的流动传热模型,模拟研究了翅片参数、管间距和氟塑料种类对换热器流动传热性能的影响.结果表明:氟塑料换热器管外空气换热热阻和管壁导热热阻平均占比分别达到60.0%和30.0%以上;翅片厚度对努塞尔数(Nusselt number,Nu)和压降影响很小;当翅片间距和管纵向间距增大时,Nu增大,压降减小;当管横向间距减小时,Nu减小,压降增大;翅片间距、厚度、管横向和纵向间距分别为9、1.2、10和20 mm时,氟塑料换热器综合性能最好;与光管普通氟塑料换热器相比,计算工况内普通氟塑料和石墨烯氟塑料的翅片管换热器总传热系数分别提升2.5%~21.0%和16.0%~55.0%.

竖直双U地埋蓄热井在不同运行条件下的换热特性

提出了简化双U地埋井三维模型建立和网格划分方法,在不同进口温度、流体流速和运行时间等影响因素下对蓄热井短期蓄热进行了瞬态模拟。根据模拟结果对比分析了不同条件下蓄热井换热性能和土壤热扩散特性,探讨了系统最佳进口温度、流速以及蓄热方式。结果表明:进口温度为40℃和50℃时换热量远高于进口温度为30℃时的换热量,流速为0. 1 m/s时的换热量远小于0. 3、0. 5m/s时的换热量,并且此两组流速对应的换热量相差不大。在径向方向上,靠近U管表面处土壤温度在换热初期急剧上升,离中心0. 5～1 m远处土壤受换热影响极其小。经分析得出,蓄热井最佳进口温度、流体流速和井间距为40～50℃、0. 3 m/s和1. 5～2 m,且结合合理的间歇蓄热方式也是提高换热量的关键。

蒸汽冷却器内置节流孔板孔径设计方法初探

在工程设计中,如何确定蒸汽冷却器内置节流孔板的孔径大小,尚缺乏合适的计算方法。为此,利用ANSYS Workbench 14.0软件平台,建立了某型蒸汽冷却器的管侧实体模型,并使用软件中的CFX模块进行了流体模拟,确定了U换热形管内的流体压损,通过调整U形换热管内的给水流量与节流孔板流量的分配比例,从而得到蒸汽冷却器内置节流孔板的孔径尺寸。

管壳式换热器污垢热阻分析及数值模拟研究

选取一常用的管壳式换热器为研究对象,管程壳程介质分别为常温循环水与高温减顶气。在操作工况下研究了管程内外污垢的对流和热传导热阻,分别建立了无污垢、管内有污垢、管外有污垢和管内外均有污垢等4种情形下的有限元计算模型,在ANSYS Workbench平台进行了瞬态热分析数值模拟,得到了管程内外污垢对换热器热通量和温度分布的影响规律。研究表明:污垢不能降低管内、外的对流换热系数,但污垢显著增大了换热器管程内外的热传导热阻。由于管材与污垢导热系数的差别较大,有污垢的管道一侧的温度梯度较大。无污垢管程热通量值比有污垢管程热通量值高出数倍甚至一个数量级。

基于ABAQUS的热交换器管板热-机耦合场分析

以某石化公司1台U形管式热交换器为评估对象,利用UG软件建立三维模型,采用HYPERMESH软件划分网格、ABAQUS软件编制适合于U形管式热交换器分析的程序,通过数值模拟的方法对其管板进行热-机耦合场分析,得到了压力载荷、温度载荷及其同时作用下热交换器管板应力强度分布云图及计算数据。对结果进行了分析,可为其他形式热交换器的安全评估提供理论参考。

大型管壳式换热器热-结构耦合场数值模拟研究

将换热器最严酷工况的表面温度数据添加到换热器的有限元数值模拟模型上,通过导热计算得出换热器各部分的热场分布,然后求出由于热场而产生的变形。将热场产生的变形与换热器结构场载荷而产生的变形进行耦合分析,这样就可得出换热器热-结构耦合场的变形和应力分布,从而验证换热器设计的合理性。

冬季工况下埋管换热器换热特性实验与模拟对比分析

利用土壤源热泵实验系统,进行不同埋管间距下冬季连续运行实验。采用FLUENT模拟软件建立竖直U型埋管的等效传热模型,对不同实验工况进行了数值模拟,将获得的实验数据与模拟结果进行对比分析。通过分析,得到了不同埋管间距对土壤源热泵系统性能的影响,土壤温度场变化对地埋管换热器换热性能的影响规律。

基于流固热耦合的平直翅片管换热器结霜过程数值模拟

平直翅片管换热器结霜是湿空气、霜层和换热器结构多物理场交互作用的结果。基于流固热耦合计算方法,考虑结霜过程中霜层密度和导热系数的变化,定义更真实求解域边界,对三维平直翅片管换热器的结霜过程进行数值模拟研究。模拟计算得到的结霜量与实验值之间的平均误差为4.67%,较以往数值模拟方法得到的结果精度有所提升。计算对比了湿空气进口流速分别为1.0, 2.0, 3.0, 3.7 m/s,相对湿度分别为60%, 70%, 80%时霜层的生长情况。结果表明,霜层厚度沿气流方向不断降低,随着来流速度和相对湿度增加,生长速率增大。对空气侧换热系数的研究表明,在结霜初期,空气相对湿度越大,换热系数越大;在结霜后期,空气相对湿度越大,换热系数越小。

竖直U型地埋管换热器热短路抑制措施的分析

建立了单U型地埋管换热器三维瞬态数值分析模型,对抑制地埋管换热器"热短路"的各种措施进行了数值模拟。在不同载流体流速和回填料导热系数条件下,分别对隔热板式、保温套式地埋管换热器和未采取任何"热短路"抑制措施的普通地埋管换热器整体传热性能进行了研究,获得了不同"热短路"抑制措施对埋管换热器整体传热性能的影响规律;通过对影响埋管换热器整体传热性能"热短路"抑制措施的对比分析,并结合地埋管换热器实际工程运行环境,提出在工程实践中不必针对埋管换热器的"热短路"现象采取任何额外的抑制措施的建议。