Fluid flow and heat transfer characteristics of spiral coiled tube: Effects of Reynolds number and curvature ratio

Numerical analysis was performed to investigate flow and heat transfer characteristics in spiral coiled tube heat exchanger. Radius of curvature of the spiral coiled tube was gradually increased as total rotating angle reached 12n. As the varying radius of curvature became a dominant flow parameter, three-dimensional flow analysis was performed to this flow together with different Reynolds numbers while constant wall heat flux condition was set in thermal field. From the analysis, centrifugal force due to curvature effect is found to have significant role in behavior of pressure drop and heat transfer. The centrifugal force enhances pressure drop and heat transfer to have generally higher values in the spiral coiled tube than those in the straight tube. Even then, friction factor and Nusselt number are found to follow the proportionality with square root of the Dean number. Individual effect of flow parameters of Reynolds number and curvature ratio was investigated and effect of Reynolds number is found to be stronger than that of curvature effect.

螺旋扭曲扁管传热流阻性能及工艺计算方法研究

螺旋扭曲扁管是一种非标换热管,成熟的热交换器计算商业软件,如HTRI、Aspen EDR等目前均尚未提供对应的计算模型,现有计算方法存在不统一、偏差大等问题。以螺旋扭曲扁管为对象,通过数值模拟计算、实验测试对其进行传热及流阻性能研究,综合利用HTRI传热计算软件,建立了一套螺旋扁管传热及流阻性能的通用化计算方法。进行了通用化计算结果、数值模拟分析数据、实验测试数据的对比,验证了通用计算方法的准确性,对螺旋扭曲扁管的工艺设计具有指导意义。

气相旋转螺旋槽管式换热器结构优化与性能试验

粮食干燥生产中换热损失大,存在烟气热量无法高效传递,导致换热效率低等问题。本文以集管壳与列管式换热于一体的气相旋转螺旋槽管式换热器为研究对象,基于场协同与热力学理论优化螺旋槽管关键部件,探究螺旋槽管参数对换热性能的影响。以螺距、槽深及内外径比为试验因素,以努塞尔数和阻力系数为评价指标,进行三因素五水平二次正交旋转组合试验,采用多目标优化方法确定最优参数组合,当螺距为24.845 mm、槽深为1.753 mm、内外径比为0.897时,Nu为164.637,f为0.348。对优化结果进行验证试验,试验结果与优化结果基本一致。螺旋槽管平均场协同角β相较于圆管降低约2°,揭示了置于壳程内的螺旋槽管管束进口、出口及中间截面内场协同角的分布特征,整体范围内的场协同效果有所增加,结论符合场协同原理。利用强化换热综合性能指数(Performance evaluation criteria,PEC)进行评价,结果表明气相旋转螺旋槽管式换热器PEC在1.031~1.267之间,验证了螺旋槽管在换热器应用的合理性。

圆管和扁形管的绕管式换热器壳侧流体降膜流动特性

为探究异型管绕管式换热器壳侧流体降膜流动和分布特性,建立了绕管式换热器三维物理模型,并基于流体体积(VOF)法多相流模型进行了数值模拟,对比分析了圆管和扁形管的管外流体降膜流动特性。结果表明:圆管和扁形管的管外轴向降膜流动分布均呈现“波谷-波峰-波谷”形状;扁形管的管外流体降膜流动速度明显大于圆管;圆管的管外液膜最薄处为圆周角120°处,扁形管的管外液膜最薄处在90°~120°之间;随着管间距的增加,圆管和扁形管的管外液膜平均厚度均呈下降趋势,扁形管周向液膜平均厚度比等周长圆管小10%~29%;随着缠绕角的增加,扁形管的管周向液膜平均厚度比等周长圆管小4%~28%。因此,推荐使用扁形管替代圆管作为绕管式换热器的缠绕管。

加装螺旋导流板的双层铜管换热器传热性能分析

为提高螺旋铜管(SCT)换热器的综合传热性能,通过在换热器内加装螺旋形导流板,采用双向流固耦合计算方法,分析了不同入口流速和导流板安装位置下对换热器内部双层SCT的振动和传热性能的影响。数值结果表明:双层SCT换热器外层SCT的振动强度明显高于内层;无振动时内层SCT的传热系数高于外层,有振动时外层SCT的传热系数高于内层;随着入口流速增加,内外层SCT的振幅均增大,传热系数提高;导流板的安装位置会直接影响SCT的振动和传热特性,且在SCT呈现最大振动强度和最佳传热性能时的安装位置并不相同;对比振动强化传热参数Q PEC和综合传热性能因子R JF发现,双层SCT换热器的Q PEC和R JF均高于单层,两螺旋导流板分别安装在换热器的左、下位置时,Q PEC最大,安装在换热器的左、上位置时,R JF最大且比安装在左、下位置时最高增大了7.99%。该研究可为高性能SCT换热器的设计提供理论和数据支撑。

不同螺旋缠绕异形管换热器壳程性能数值研究

缠绕管的形状对螺旋缠绕管换热器的传热能力有重要影响,本文建立了具有不同截面形状的螺旋缠绕管换热器模型,数值研究了八种不同截面形状的缠绕管对螺旋缠绕管换热器壳程流动与传热性能的影响。相比于传统圆管,三叶管和水滴管对壳程流体造成的扰动较大,增强了螺旋缠绕管换热器的综合换热性能,而三叶管则具有最大换热能力。进一步分析了不同冲刷方式对螺旋三叶管换热器和螺旋水滴管换热器壳程性能的影响,结果表明:在相同的进口工况下,螺旋三叶管换热器壳程努塞尔数相比于传统圆管提高了11.8%~15.5%,阻力系数增大了41.9%~49.6%;螺旋水滴管换热器壳程努塞尔数相比于传统圆管提高了2.8%~4.3%,阻力系数增大了3.2%~6.8%;在雷诺数为2 603~5 206的工况条件下,管截面与流动方向夹角为0°的三叶管换热器综合换热性能最好,而管截面与流动方向呈逆流形式的水滴管换热器综合换热性能优于顺流形式。

换热器内逆向折流板对螺旋管传热性能的影响

为了提高换热器的综合传热能力,以逆向折流板螺旋管(RBST)换热器为研究对象,通过改变折流板与螺旋管的安装方式,获得了更高综合传热性能的RBST换热器;采用双向流-固耦合的计算方法,研究了不同流速和不同结构方案下流体诱导螺旋管振动对RBST换热器综合传热性能的影响,并探讨了螺旋管振动的有效性。结果表明:当RBST换热器内的折流板与螺旋管采用间隙安装时,螺旋管的振幅随入口速度的增加而增加,但其振动频率始终保持不变;螺旋管振动能够增强RBST换热器的综合传热性能,但是强化传热评价指标最高仅为1.0303,效果并不显著,且振动强化传热效果会随着入口速度的增加而削弱;当RBST换热器内的折流板与螺旋管采用无缝安装时,换热器综合性能评价指标最高为1.018,这既延长了螺旋管的使用寿命,又提升了换热器的综合传热性能。

铅冷快堆主换热器内冷却剂流动换热特性研究

铅冷快堆由于其优秀的热工水力性能和安全性能,在商业发电和动力装置应用上具有良好的应用前景。以液态铅铋合金(LBE)和超临界二氧化碳(SCO_(2))为工质的主换热器作为连接铅冷快堆一、二回路的关键设备,其热工及安全性能对反应堆的运行效率及运行安全有重要影响。为了研究铅冷快堆主换热器内流动换热优化方案,针对铅冷快堆主换热器编写了设计和校核计算程序,借助等换热功率分段模型获得了设计工况下主换热器的关键热工水力参数;基于相似原理构建了缩比模型,对使用外置式导流筒时换热器内的流动情况进行了数值模拟;对比分析了换热器分别使用直管和螺旋扁管时流体的流场、温度场分布。研究结果表明,增设外置式导流筒减小了LBE在换热器壳侧流动的最大流速,改善了流场;螺旋扁管相较于直管换热器增大了总换热功率约1.68倍,管侧和壳侧的温度和速度分布更加均匀,改善了换热器的整体换热性能。

翅片管换热器内烟气对流换热模拟研究

以螺旋翅片管式换热器为研究对象,选取烟气进出口压降表征换热器流动阻力的大小、努塞尔数(Nu)表征换热器对流换热的强弱,利用Fluent软件模拟分析不同烟气流速下翅片结构参数对换热器流动阻力和换热效果的影响,并引入性能因子综合评价翅片结构参数对换热器换热性能的影响。结果表明:烟气流速一定时,翅片高度增加、厚度加厚和间距缩短均会使换热器进出口压降和Nu增加,在增大换热器流动阻力的同时,换热效果得到增强;翅片结构参数和性能因子的变化规律与Nu相反,选取高度较低、厚度较薄、间距较稀疏的翅片参数时换热器的综合性能更好;此外,与结构参数不同,烟气流速加快时Nu和性能因子均增大,能提升翅片管换热器的综合换热性能。

DCC装置外取热器泄漏原因分析与操作探讨

DCC装置运行第二个周期出现了外取热器筒体穿孔泄漏隐患,并及时进行了贴板补强。文章通过对外取热器筒体泄漏及管束泄漏的现象、原因等方面的分析,发现外取热器泄漏会对装置造成巨大影响,并针对外取热器泄漏的原因提出合理的建议和优化操作方法,以保证装置的长周期运行。

连续重整装置汽提塔顶空冷器管束泄漏原因分析

通过化学成分分析、金相组织分析、扫描电镜观察和能谱分析等方法,对连续重整装置汽提塔顶空冷器换热管穿孔的原因进行分析。结果表明,换热管材质的化学成分除了Si元素含量偏低以外,其他元素含量均符合10号钢材质的化学成分要求;换热管各处的金相组织均为铁素体+珠光体,并无明显差异;换热管外壁存在两层腐蚀产物,其中外层腐蚀产物主要为铁的氧化物,内层腐蚀产物主要为锌与铁的氧化物及水垢。镀锌的换热管在发生腐蚀前其表面曾发生过严重的结垢。换热管穿孔是由外部腐蚀造成的,腐蚀穿孔的机理为氧浓差电池腐蚀。由于换热管外表面垢层与外壁金属之间存在缝隙,缝隙内介质流动不畅,导致缝隙内外形成氧浓差电池,使结垢部位发生垢下腐蚀,最终导致其局部腐蚀减薄,直至穿孔。

某焦炉上升管荒煤气显热回收改造

焦炉上升管荒煤气带出热量占焦炉支出总热量的36%,增设荒煤气显热回收系统是实现热能回收,降低能源消耗、碳排放和生产成本的有效措施。荒煤气显热回收系统采用外置双曲线螺旋管换热器与强制、自然双循环系统相结合的工艺技术,可在保证安全的基础上,最大程度回收荒煤气显热。

基于水循环热平衡的地埋管强化换热性能研究

为提升浅层地热能地下换热器的换热效率,设计螺旋管式、蛇形管式和直管式3种水循环热平衡地埋管强化换热结构,并以螺旋式水循环强化结构为例研究水循环系统参数(螺旋管内径、螺旋半径、螺旋节距和水循环流速)、运行模式、负荷以及土壤性质对系统换热性能的影响。研究结果表明:相较于初始地埋管换热器,螺旋管式、蛇形管式和直管式水循环热平衡地埋管换热器的制冷性能分别提升28.3%、25.3%和10.7%,制热性能分别提升27.3%、21.8%和10.9%,且运行稳定性更好;水循环系统螺旋管内径对系统换热影响较小,系统换热量随螺旋半径增大而增大,随节距增大而减小;间歇运行能有效提高水循环热平衡地埋管的强化换热效果;高负荷情况下所设计强化结构的换热效果更好,具有较好的经济性;土壤性质对系统的换热性能影响较大,土壤导热系数越大的系统强化换热效果越好。

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。

金属氢化物储氢容器吸/放氢过程模拟研究

基于储氢合金LaNi5吸放氢性能,建立金属氢化物的储氢数值模型,并利用COMSOL软件进行模型的模拟研究,重点分析直管、翅片与螺旋管结构对容器吸氢和放氢性能的影响。结果表明:内壁加翅片、带有螺旋管换热的两种结构能有效提高储氢容器吸氢速率,大幅缩短吸/放氢过程时间;温度云图显示,容器内壁加翅片的结构,热量是从壁面向容器中心进行传导;对于容器内部增加螺旋管换热结构,传热是从螺旋管向四周进行,且传热效率更高。与初始模型相比,带有螺旋管换热器结构其吸/放氢质量达到最大质量90%所需时间分别减少31.58%和31.12%。

换热器螺旋管冷凝换热的数值模拟与实验研究

为了研究换热器螺旋管的冷凝传热性能,对R22制冷剂使用VOF模型在螺旋直径为300 mm、螺距为19.52 mm、管道直径为9.52 mm的换热器螺旋管进行数值模拟,分析换热器螺旋管的流场分布特性,研究了流体流速和饱和温度对螺旋管内换热性能的影响。通过实验研究了不同参数对螺旋管内换热性能的影响,对数值模拟的准确性进行验证。实验结果表明:在不同流体流速时冷凝换热系数的模拟数据与实验数据之间的相对误差为3%~11%,在不同饱和温度时冷凝换热系数的模拟数据与实验数据之间的相对误差为3%~8%,说明数值模拟方法和结果是合理的。研究成果为螺旋管换热器的设计优化以及空调热水器一体机的节能损耗提供了一定的参考。

折流板对锥形螺旋管束壳程传热性能的影响

以锥形螺旋弹性管束(conical spiral elastic tube bundle,CSETB)换热器为研究对象,通过在换热器内增设脉动/引流折流板,以期获得具有更高传热性能的弹性管束换热设备。通过采用双向流固耦合计算方法,研究了不同壳程入口流速和不同结构方案下CSETB换热器的振动强化传热性能。研究表明,CSETB的振幅随流速的增加而增加,仅增设脉动折流板可使CSETB表现为相对大幅高频振动,同时增设脉动、引流折流板可使CSETB表现为相对大幅低频振动。增设折流板可使流体流动的规律性和温度场分布的层次性增强,且能使换热器的壳程传热能力获得大幅提高。振动能够实现强化传热,这种强化传热的程度在高流速时更明显,且增设折流板能明显提高CSETB的振动强化传热性能。此外,引流折流板的存在使换热器的综合传热性能降低。

螺旋缠绕管式换热器传热性能优化与计算程序开发

螺旋缠绕管式换热器作为新型换热设备,与传统换热器相比,更为紧凑的管排列方式,增大了设备单位体积内的传热面积,且流体流动过程更易多流股化,从而提升传热综合效率;对设备的传热特性进行研究并与计算机技术相结合实现性能优化与计算方法改善,对于实际设备设计生产与使用具有重要意义;通过计算流体力学(CFD)方式,对螺旋缠绕管式换热器进行简化计算模型结构工作并开展数值模拟,研究不同管排列方式,相邻管层间距,壳程流速,换热管使用材料在设备换热性能方面的影响情况,得到设备优化结构,实现设备性能提升;选定管内径,管缠绕圈数,壳程流速以及管缠绕半径4个因素及其相对应水平参数开展正交试验,并分析单因素对于绕管式换热器综合传热性能PEC的影响情况及各因素的主次程度;运用Visual Basic语言进行计算程序开发,通过对流体物性参数、管内径、管缠绕圈数及管程数等进行输入并自动计算,实现压降,传热系数,综合性能指数等结果的可视化,提高后期设计工艺计算精度。

多层螺旋管式换热器的计算

针对多层螺旋管式换热器进行设计计算,将3种不同的壳程给热系数方程的计算结果与工艺包给定的值进行分析对比,选择出合适的方程及适用的工艺条件。

PCS换热器螺旋结构强化换热数值研究

为了优化非能动热量导出系统(PCS)的设计,提高其换热性能,从而进一步提高PCS系统设计的安全性和先进性,采用数值分析的方法对光管、螺旋扁管和螺旋翅片管的冷凝传热特性进行研究。结果显示:在高含量不凝气条件下,螺旋翅片管的换热性能最强,螺旋扁管次之,光管最差。研究表明,PCS换热器采用螺旋翅片管能够强化换热效果。