缠绕管式换热器结构参数多目标优化数值模拟研究

为分析缠绕管式换热器关键几何结构对其流动和传热性能的影响,采用多目标遗传优化算法对壳侧的流动和传热特性进行了数值模拟研究,并对通过中心复合设计得出的实验点进行了计算。研究结果表明:缠绕管式换热器的壳侧压降随着层间距、缠绕角、同层管间距的增大而减小;壳侧换热系数随着层间距的增大而减小,随着管外径的增大而增大,随着螺旋角的增大先增大后减小。通过敏感度分析可知:螺旋角和层间距对缠绕管式换热器的流动和传热性能影响最大,在计算工况下,层间距对压降和换热系数都呈负相关;螺旋角与压降呈负相关,与换热系数呈正相关。同时,应用多目标遗传算法在连续响应面的基础上对原结构进行优化,得到3组优化结果,换热系数平均增加了2.93%,压降平均降低了40.27%,综合传热性能均好于原结构。该研究成果可为缠绕管式换热器的优化设计提供理论基础。     

含相变的缠绕管换热器设计及多目标优化

为实现含相变的缠绕管换热器的优化设计,提出了一整套计算模型,对传统模型中的Gilli公式进行了改进,大幅提升了该模型的计算速度。基于提出的计算模型以及非支配排序遗传算法Ⅱ(non-dominated sorting genetic algorithmⅡ,NSGA-Ⅱ)利用Python语言编写了缠绕管换热器的多目标优化程序,以径向间距、轴向间距以及缠绕角作为设计变量,以总换热系数、管程及壳程压降作为目标函数对缠绕管换热器的几何结构进行了优化设计。通过实例验证,改进后的模型传热误差最大不超过3.6%,压降误差最大不超过8.5%,因此改进的计算模型具有较高的可信度。程序优化结果表明：相比初始结构,优化结构一总换热系数提高了7.1%,而壳侧压降降低了21.0%,管侧压降降低了0.7%;优化结构二总换热系数基本不变,壳侧压降降低了23.0%,管侧压降降低了27.0%。因此该优化程序可以有效优化缠绕管换热器的几何结构。     

垫条对缠绕管换热器壳侧性能的影响研究

目前针对缠绕管换热器的数值模拟研究中,大多为了简化模型而省略了管层间的垫条,造成模拟结果偏离实际情况。通过CFD数值模拟,着重研究了缠绕管换热器中垫条的存在及不同的排布方式和数量对换热器壳侧的流动、传热性能的影响。计算结果表明,垫条的存在不仅影响流体轴向流速,并且在径向截面上更易形成涡旋而加强流体扰动。在相同进口工况下,相比无垫条模型,垫条对齐排布时Nu下降了1.6%~2.5%,换热器单位长度压降ΔPl增加了14.5%~17.0%,强化传热性能指标FP减小了5.7%~5.9%;错开排布时Nu上升了17.0%~18.1%,ΔPl增加了38.4%~39.9%,FP增加了13.7%~15.4%。两种垫条排布方式中错开排布能够在更大程度上强化壳侧的湍流,从而强化传热。当垫条数量多于12,依次为13、14、15时,对换热器壳侧的性能影响不大。所做研究为缠绕管换热器的数值模拟提供了新的思路,也为缠绕管换热器的性能优化提供了理论参考。     

地源热泵型地下连续墙内埋管换热器优化设计

根据地下连续墙内埋管换热器传热模型及埋管内流体温度场提出了地下连续墙内埋管换热器换热能力和出水温度的计算方法,并基于正交分析给出了上部建筑负荷最大时地下换热器的换热量及出水温度最高值的回归公式.在此基础上,根据出水温度最高值、单组埋管长度以及地下连续墙单幅宽度等限制条件提出了地下连续墙内埋管换热器的优化设计方法,并以上海自然博物馆地下连续墙内埋管为例进行了计算.分析表明,该优化设计方法计算简便,容易为工程设计人员所接受.     

气─气热管换热器的传热有效度传热单元数设计方法

用传热有效度传热单元数法对热管换热器中连续变化的流体温度进行了计算,得到了冷、热流体之间的换热量和各排热管出口处的流体温度。这种方法物理概念清晰,计算程序简单,计算结果准确,是一种较完善的热管换热器设计计算方法。     

SO_2气体换热器的强化传热及优化设计研究

本文以二氧化硫气体换热器为例,分析研究了弓形隔板管壳式气体换热器在管内与管隙间由于流体能量损耗分配的不合理性而对换热器传热性能所造成的不利影响,并提出了以换热器壳程气体纵向冲刷为结构特征的双面整体形低翅片管换热器的传热优化设计方法,使得换热器的总传热系数在管内与管隙间气体总压降不变,气体流量不变以及传热温差不变的条件下,比原弓形隔板管壳式气体换热器的总传热系数提高80%。总传热面积减少42%。     

气—气热管换热器的传热有效度—传热单元数设计方法

用传热有效度－传热单元数法对热管换热器中连续变化的流体温度进行了计算,得到了冷,热流体之间的换热量和各排热管出口处的流体温度。这种方法物理概念清晰,计算程序简单,计算结果准确,是一种较完善的热管换热器设计计算方法。     

无管板列管式换热器的结构及传热研究

针对列管式换热器壳程传热膜系数较低、高流速时易产生流体诱发振动、管板与换热管之间存在间隙腐蚀的实际情况,提出了一种无管板列管式换热器结构.该结构提高了壳程的传热膜系数,解决了间隙腐蚀的问题,减小了壳程流体的流动阻力和流体诱发振动,为列管式换热器的结构改造提供了好的形式.     

纵向导热对错流式微型换热器总包换热系数的影响

采用三维数值模拟获得错流式微型换热器温度分布、总包传热系数和传热单元数,给出了总包传热系数关联式,通过一维对流一导热耦合模型给出纵向导热影响系数K．K为流体质量流量、流体比定压热容、流体和间壁固体热导率及换热器结构尺寸的函数．用K和关联式求得的总包换热系数相乘的方法预测错流式微型多通道换热器的总包换热系数,与模拟结果吻合较好．     

微重力条件下管肋式空间辐射器的传热分析

建立了航天器上常用的管肋式空间辐射器在微重力条件下的导热、对流和辐射相互耦合的复杂传热过程的数学模型，并考虑了管壁与肋片表面之间相互辐射的影响。整个模型的求解采用迭代法，管内流体的速度场和温度场的求解用ＳＩＭＰＬＥ算法，分别计算了肋片上的温度分布、管壁与肋片上的热流分布与管内对流换热的平均Ｎｕ数，得出了进行管肋式空间辐射器优化设计所必需的重要参数，同时还研究了重力场对辐射器传热的影响，对在地面上进行空间辐射器的模拟实验研究具有重要意义。     

强化表面管束池沸腾传热的实验研究

对三种强化表面管束池沸腾换热特性进行了实验研究，并与光滑表面管束进行了比较。结果表明：各强化表面管束池沸腾相对于光滑表面管束的强化传热效果，＃２多孔表面管束（凹穴密度较大）最好，＃ｌ多孔表面管束次之，Ｔ型肋表面管束第三．     

水平管降膜换热器性能规律研究进展

水平管降膜换热器具有热质传递效率高、阻力小、结构简单等优点，被广泛应用于化工等传统领域及能源利用的节能减排领域。降膜换热器内部发生复杂的流动及传热传质相互耦合过程。介绍了实验及模拟研究手段的进展，综述了不同操作参数（气体温度、流向及流量，溶液流量、温度及浓度，内部媒介流量及温度等）与结构参数（管径、管间距等）对水平管降膜管间流型、液膜厚度与润湿性等流动特性的影响规律，以及对蒸发传热特性、吸收传热传质特性等换热器性能的影响规律，包括整体性能和局部微细特征，为水平管降膜换热器的性能优化提供理论支撑。指出在不同气流特征以及多因素相互作用下多维度的局部流动与传热传质性能的耦合影响规律以及强化换热手段会是水平管降膜换热器未来研究的重点方向。     

紧凑管束蒸发换热器内水的沸腾强化换热特性

设计了一种新式满液型蒸发换热器,利用水平传热管管束间狭窄受限空间内早期沸腾强化换热机理和同一管束中两管缝隙强化沸腾换热机理,将中小热负荷条件下的自然对流换热转化为充分发展核态沸腾换热,其换热性能大大优于传统的满液型蒸发换热器.对水平传热管管束在受限空间内沸腾强化换热的实验研究表明,这种水平管蒸发换热器具有良好的换热性能;管束距离和传热管在管束中的位置对各个传热管换热特性都有很大影响,且存在着一个最佳管束距离;随着压力增加,受限空间内沸腾强化换热的强化效果显著增强.     

空气横向掠过花瓣状翅片管传热强化性能研究

本文报道空气横向掠过花瓣状翅片管的传热强化实验研究结果，分析比较了七种花瓣状翅片管的传热强化机理与性能，给出了包括翅片参数在内的传热准数与流体阻力系数关联式，找出了较佳翅片参数范围。本文还比较了花瓣状翅片管与波纹状高翅片管的传热强化性能，比较结果表明，花瓣状翅片管在节省空气换热器管材消耗方面明显优于波纹状高翅片管。     

来流不均匀分布对换热器传热的影响

建立了换热器壳程流速分布不均匀对传热性能影响的数学模型,并从管内轴向流传热与管外横向流传热两个方面,研究了换热器因流道来流流速分布不均匀而造成的传热负荷偏移．研究结果表明,流速不均匀分布对换热器传热性能影响不大;在恒壁温、各流道间无热交换的条件下,当各流道流速不均达到100％时,换热器的传热负荷偏移在1％以内．     

“W”形螺旋槽管管壳式换热器强化传热研究

简要介绍了1种新型的强化传热管———"W"形螺旋槽管管壳式换热器的强化传热机理、特点、实验研究情况。通过实验研究,比较了"W"形螺旋槽管管壳式换热器和光滑管式换热器的传热和压降性能,实验结果表明,"W"形螺旋槽管管壳式换热器可比普通光滑管式换热器提高总传热系数17%,并得到了该"W"形螺旋槽管管壳式换热器传热与流阻的关联式。     

水在螺旋盘管内的换热及压降特性研究

螺旋盘管及螺旋套管换热器因其优越的结构特性和高效的换热效率,在制冷、空调、热泵、化工等领域内都得到了广泛应用,研究水在这类换热器中的对流换热与压降具有重要的实用价值。文中对水在4种不同结构参数的螺旋盘管换热器内的换热及压降特性进行实验研究,工况范围:Re为4 000~9 000,水的体积流量为200~350 L/h,加热功率为80~350 W.实验结果表明:水的平均换热系数与压降均随Re的增加而增大,相同Re时,最大平均换热系数出现在SC型螺旋盘管中,这是因其最小的弯曲半径所致;水在BE型螺旋盘管内的压降最大,SC型次之,这是因管长与弯曲半径共同影响所致。平均换热系数随加热功率的增加而增大,相同加热功率时,水在SC型螺旋盘管中的换热系数最大,BE型始终大于SE型,而BC型随水流量的不同而异。实验结果与计算结果的比较表明:螺旋盘管的换热强化作用随Re增大而逐渐减弱,在4种螺旋盘管中,SC型具有最佳的换热强化效果,这一结果与实验结果相吻合。研究结论为螺旋盘管及螺旋套管换热器在诸多领域内的应用提供了参考依据。     

地下连续墙内埋管地热换热器传热模型

根据地下连续墙内埋管的结构形式和传热特点,建立开挖面以上和开挖面以下两部分的地下连续墙内埋管传热模型,并采用格林函数法推导其解析解.该模型能求解带有随时间变化的内热源、非齐次边界条件的复合介质热传导问题,可用于地下连续墙及周围土体内的温度场分析,还可用于地下连续墙内埋管布置形式、埋管间距以及间歇运行时间等参数的优化分析.     

R134a在水平蒸发管内热进口效应及周向壁温分布的研究

在低沸点工质换热试验台上对Ｒ１３４ａ进行光管、强化管内水平流动的沸腾换热试验，分析讨论了热进口效应以及周向壁面的温度分布．     

场协同原理强化管外降膜吸收传热特性实验研究

对基于场协同原理设计的两种强化传热管型进行了LiBr降膜吸收水蒸气过程的传热实验研究,并与光滑铜管作比较,考查该传热管型在吸收过程中的强化作用.实验测量参数包括;溶液进出口温度、浓度,流量,冷却水进出口温度、流量等.实验结果表明,两种强化传热管型在低雷诺数时对LiBr降膜吸收传热的强化比分别为20%和50%,而且随着雷诺数的增大而增大.利用场协同理论和降液膜流动的波动特性分析了强化降膜吸收过程传热特性的物理机制,发现速度矢量与温度梯度的夹角及降液膜厚度形成的阻力对对流换热有一定影响.