考虑物性变化及壳体传热的新型板壳式换热器板程流动传热数值模拟

板壳式换热器以优越的换热性能和耐温耐压性在化工生产等领域有着广阔的应用前景。本文采用可实现k⁃ε湍流模型结合增强壁面函数,对一种新型板壳式换热器板程流动与传热特性进行数值模拟研究,讨论了介质物性变化及壳体传热的影响,并与已有实验进行验证。重点分析了不同波纹高度在不同入口流速下的流动传热特性,基于场协同理论揭示了速度场与温度场及压强场协同分布规律。结果表明:流动传热计算不能忽略流体介质物性变化及壳体传热的影响;增大波纹高度流态由曲折流向十字交叉流转变,板间流体分布趋于均匀,换热性能增大;沿沟槽形成连续的涡结构,在触点周围形成具有周期性和中心对称的高剪切涡量集中区,垂直于流动方向场协同呈现周期性变化,波纹高度越高周期性越明显;在波纹核心流域内因流动与热流相似,其协同程度变差。

NB/T 11026-2022《板壳式热交换器》简介

板壳式热交换器是适用于大型化、高参数苛刻环境的高效换热设备,但一直缺乏产品标准对其设计、制造、检验、验收和使用等进行统一规范。从编制的角度对NB/T 11026-2022《板壳式热交换器》的编制背景、编制原则、适用范围、设计理念、设计准则及关键技术要点等进行了简要介绍。

板壳式热交换器内制冷剂R410A蒸发传热性能研究

通过实验研究了板壳式热交换器内制冷剂R410A的蒸发传热特性,分析了饱和温度、质量流率和平均干度对蒸发传热系数及两相摩擦压降的影响。将实验数据与现有的蒸发传热预测模型进行比较,拟合得到了板壳式热交换器内R410A蒸发传热努塞尔数和摩擦因数的关联式。研究结果表明,R410A的蒸发传热系数随平均干度的增大先增大后减小,随质量流率的增大而增大,随饱和温度的升高而减小。两相摩擦压降随平均干度、质量流率的增大而增大,随饱和温度的升高而减小。R410A努塞尔数、摩擦因数的关联式计算值与实验值的平均误差绝对值分别为3.78%、4.08%。

管壳式换热器折流板开孔流场特征及场协同分析

折流板是管壳式换热器最主要的结构之一,但流体介质容易在折流板背风侧产生一个相对静止的“流动死区”,影响换热器壳程的换热效果。因此,本文利用Fluent对换热器壳程折流板进行开孔研究,分析流体流动特征,同时利用场协同分析的方法对其进行了验证分析。结果表明:折流板开孔可有效减小换热器壳程背风区的“流动死区”,达到强化传热的效果。

人字形角对导孔型板壳式换热器壳程流体流动与传热特性的影响

以导孔型板壳式换热器为研究对象,通过数值模拟探究了双人字形板波纹角度的变化对壳程流体流动、传热性能的影响,采用粒子图像测速(PIV)对壳程流场分布和流速进行了试验验证。结果表明:PIV试验与数值模拟得到壳侧速度矢量分布一致,轴向速度的平均误差为2.93%,最大相对误差为13.24%。与矩形板式换热器不同的是,导孔型板壳式换热器的换热能力和压降损失随着角度的增大而提升,在β=60°达到临界点,随后随着β的增大换热能力有所削弱。壁面平均涡强Se与换热效率Nu存在对应关系,Nu随着Se的增大而增大,拟合的关联式误差在±9%以内。此外,在研究范围内,不同β下的综合性能随着质量流量m的增加而减小,β=30°时综合性能最好,该研究结果可为工业设计选择提供参考。

当量实心板法在大型管壳式换热器管板设计中的应用

大型非规则布管的管板难以使用全实体单元进行有限元分析。建立与实际结构相符的3D模型,并按照ASMEⅧ-2附录5-E中的当量实心板法进行应力分析与评定,是工程中常用的方法。详细介绍了该方法的计算过程和评定准则,并与全部实体单元模型的结果进行对比,表明该法安全可靠;采用GB/T151—2014中的评定准则与全部实体单元模型的结果进行对比,表明该评定准则对非规则布管结构应分工况谨慎使用。

板壳式换热器的热工特性

针对板壳式换热器热工特性,分析比较壁面温度测定法、等雷诺数法、威尔逊法和等流速法等方法的适用性,最终确定采用等流速法进行实验研究及数据拟合。通过试验拟合得到的传热准则关系式,计算出传热系数的相对误差。结果表明:所得到的关系式计算得到的误差较小,可作为板壳式换热器传热计算依据。

板壳式换热器波纹倾角对换热和阻力性能影响

研究了波纹倾角(α=45°,60°,75°)对板壳式换热器单流道内单相流动与换热过程的影响,分析了波纹流道内的速度分布、湍动能分布、压力分布和温度分布;基于范宁摩擦阻力因子f和Nu与Re的关系,提出了板壳式换热器不同波纹倾角下换热特性和流动阻力特性的预测关联式;通过计算不同波纹倾角下的综合性能评价指标(performance evaluation criteria,PEC)和面积质量因子(j/f)综合评价了流动与换热性能。结果表明:波纹倾角是影响圆形板间流体流动形态的因素之一,随着波纹倾角增大,会出现“十字交叉流”向“曲折流”转变;所提出的关联式能够很好地预测板壳式换热器内阻力与换热性能,阻力特性偏差在±14%范围内,换热特性偏差在±7%范围内;α为45°时,j/f较大,流道内阻力相对小;α为60°时,PEC较大,流道内换热性能相对强。

基于计算流体力学的热交换器壳程进口防冲挡板结构研究

热交换器壳程进口设置防冲挡板是避免流体对换热管进行直接冲蚀的一种重要手段。为研究防冲挡板对壳程流体流动的影响,构建了带有不同开孔率防冲挡板的壳程进口结构,采用计算流体力学方法研究并预测了挡板和换热管附近的流场分布情况。研究结果表明,当防冲挡板不开孔时,进口换热管附近流场分布不均匀,挡板与换热管附近存在明显的流动死区。随着开孔率的增加,流场分布的均匀性得到改善。防冲挡板的相对位置对流场分布具有一定影响,挡板与换热管距离过大或过小,都不利于流场的均匀分布。

板壳式换热器在啤酒糖化热能回收的应用

板壳式换热器兼具板式和管壳式换热器的优点,是一种新型、高效的换热设备。本文通过与板式和管壳式换热器对比,分析了板壳式换热器的结构特点和工作原理,并针对啤酒糖化产生的高温冷凝水和二次蒸汽的热能回收现状,提供一种以板壳式换热器为核心的热能回收方案,实现了高温冷凝水和二次蒸汽的热能回收。

高压板壳式换热器板片强度分析

针对高压板壳式换热器的耐压问题,建立板壳式换热器耐压核心元件换热板片在高压下的受力计算模型,利用SolidWorks计算模块,对不同型式板片在高压下的应力情况进行数值计算。利用计算结果,设计出1型针对该高压情况的换热板片,形成1台耐高压的板壳式换热器。通过压力试验,验证了该板壳式换热器的耐压性能及所构建理论计算模型的正确性。

我国大型换热器的技术进展

大型管壳式换热器、缠绕管式换热器、板壳式换热器在我国许多工业领域的应用日益增大。介绍与大乙烯、大炼油、大型煤化工等成套装置相适应的大型管壳式换热器、缠绕管式换热器、板壳式换热器的技术难点。大型管壳式换热器传热流动特性与结构设计的协同性研究、超长换热管材料的技术要求、大型管板的设计与制造技术等方面在十一五期间都取得了显著的进展。大型多股流缠绕管式换热器、低焊接残余应力镍基合金对接焊接接头的高压缠绕管式换热器、组合结构的低温甲醇洗装置原料气冷却器等大型缠绕管式换热器产品的研制相继取得成功。兼顾流体分布与传热性能的换热板片、整板分次步进模压成型工艺、氩弧焊/电阻焊焊接工艺、新型进料喷雾分布器等关键技术为超大型板壳式换热器的国产化提供了保证。本文还列举了大型换热器具有代表性的典型产品。我国已能生产换热面积超过10 000 m2的管壳式换热器、换热面积超过7 000 m2的缠绕管式换热器,换热面积超过10 000 m2的板壳式换热器,并在煤化工和石油化工装置上得到成功应用。从混合介质的实际相变机理研究、高效传热元件的采用和可靠性研究等方面指出了大型换热器在国产化进程中存在的不足之处和发展方向。

一种板壳式换热器壳程物流分配特性的模拟与优化

以一种板壳式换热器壳程为研究对象,建立了几何模型并进行了数值模拟,通过对各流道的流量偏差和相对标准差的计算,分析了壳程物流分配的特性,并总结了物流分配特性对换热器的传热效率、整体效能以及压降的影响。模拟与分析结果显示:换热器壳程存在严重的物流分配不均匀现象,这种现象会造成换热器整体效能的下降,同时造成压降的大幅升高,但是对于传热效率的影响很小,总换热量偏移不足3%。为了改善物流分配带来的影响,提高换热器的性能,通过在入口处设置封头和圆弧状条纹板对换热器壳程来进行优化设计。优化分析结果表明:该设计可以改善换热器物流分配不均匀性,并能使换热器效能下降明显降低,压降相对减小,可以为板壳式换热器的优化提供参考。

大型板壳式换热器研制

板壳式换热器是集板式换热器和管壳式换热器优点于一身的新型换热设备。板壳式换热器样机在兰州炼油化工总厂重整装置上使用 3年 ,效果良好。应用于克拉玛依石化厂重整装置的首台大型板壳式换热器顺利研制成功 ,填补了国内空白 ,同时也标志着我国焊接板式换热器的生产上了一个新台阶。

板壳式换热器传热准则关系式的分析与实验研究

假设板壳式换热器为特殊板式换热器,介绍了板壳式换热器传热准则关系式的研究方法.分析比较了壁面温度测定法、等雷诺数法、威尔逊法和等流速法等的适用性,确定了利用等流速法来进行实验研究,并分别进行了测定实验和验证实验,测定实验控制进出口流速相同,验证实验控制热侧流速不变,改变冷侧流速,采用实验获得的数据拟合传热准则关系式,计算出传热系数的相对误差.结果表明:传热系数的相对误差小于5%,所得传热准则关系式是合理的,表明板式换热器的研究方法适用于板壳式换热器.

板壳式换热器在连续重整装置的应用

板壳式换热器中冷、热流体在相邻波纹板管间呈全逆流流动,提高了传热效率,减小了压力降,运行中介质不易发生堵塞且安全可靠。实际应用表明,使用该设备可降低能耗,节约投资。

管壳式换热器的设计

介绍了管壳式换热器的设计步骤,包括传热设计和结构设计。解决了壳程压力为负压时需要注意的相变时传热系数的确定及静电板的设计等问题。通过分析,使换热器的设计更加规范化而且可以有效提高换热器的换热性能,为换热器的设计和发展提供了指导性的意见。

新型板壳式换热器壳程流动与换热的数值模拟

提出一种新型的板壳式换热器,建立2种不同板束截面形式的换热器模型,利用FLUENT软件对壳程流体的流动和换热进行数值模拟,从多个方面对板壳式换热器壳程湍流流动与强化传热进行了探讨。模拟结果表明,由于换热板片特殊的蜂窝结构,靠近板片壁面的流体产生了明显的周期性波浪式流动,这种流动加剧了流体的湍流强度及边界层的扰动,起到了壳程强化传热的效果。对于2种不同截面形式的换热器,圆形截面形式的换热器壳程空间利用率较高,流体流动充分,热交换效果更好,在同流量下,其壳程对流换热系数比方形截面形式的高35%—40%,压降高17%—19%,单位压降下的壳程对流换热系数高15%—19%。该数值模拟结果对板壳式换热器的研究具有一定的理论意义和工程实用价值。

三效溴化锂制冷机研发的新思路——换热器板壳化

分析了板壳式换热器结构的特点 ,提出了板壳式换热器在三效溴化锂制冷机中的应用的新思路 。

国产超大型板壳式换热器在石化装置中的应用

介绍了国产超大型板壳式换热器的结构、特点以及在重整、歧化、异构化装置中的应用情况,并将其与国外同类产品进行了比较,比较结果表明,国产超大型板壳式换热器的主要技术参数与国外同类产品相当,在拆卸及维修方面优于国外产品。