换热器内弹性管束流体组合诱导振动响应的数值分析

为了探讨换热器内弹性管束在流体诱导下的振动特性,采用流固耦合的弱耦合法,研究了弹性管束在不同流速的壳程和管程两场流体组合诱导下的振动响应,并对比分析了壳程流体和管程流体对弹性管束振动响应的影响。研究表明:当壳程和管程流速一定时,弹性管束两监测点各方向的振动主频、谐频大小一致,且振动主要体现为面内振动。壳程流速较低时,监测点沿壳程流速方向的位移曲线存在明显的二倍谐频。壳程流速变化对管束振动响应的影响较大,管程流速变化对管束振动响应的影响较小,说明弹性管束的振动主要由壳程流体引起。由于流体的冲击和管束重力的影响,当壳程流速较低时,管束沿壳程流速方向的振动平衡位置较低,随着流速的增加,管束沿壳程流速方向的振动平衡位置逐渐上移。     

轴流型换热器壳程的传热优化设计

本文分析了在空心环支承条件下光滑管管束与缩放管管束换热器的壳程流体压降与传热膜系数分布，对换热器壳程传热设计做了优化分析，认为管束的排列结构与长径比是优化壳程传热的重要因素。     

基于流路设计的斜隔板引流喷射换热器研究

为提高原油加热等壳程蒸汽冷凝换热工况的换热效果,本文基于流路设计提出了一种斜隔板层间引流喷射型换热器,并采用数值模拟方法进行分析.分别探究了斜隔板倾角、进口流速、层间引流喷射、换热单元层数对换热性能的影响,获得了换热器综合性能(JF因子)与倾斜角、进口流速的经验关联式.结果表明:壳程斜隔板结构能够提高换热器的JF因子,且倾斜角和进口流速的适当增大有利于换热器性能的提高;多段引流喷射能利用进料气引流上一层的乏汽,提高上层乏汽热品位;斜隔板引流喷射结构放大效应小,有利于工业生产.     

异形孔隔板换热器壳侧传热与阻力性能的试验研究

对正方形孔、三角圆头孔、网状孔、六角梅花孔隔板换热器及弓形折流板换热器的传热性能和压降性能进行了测试试验.试验件采用公用管壳可拆卸芯体管束结构,针对其特点将壳侧轴向雷诺数作为自变量,利用单位壳侧轴向欧拉数的壳侧努谢尔特数指标来反映换热器的综合性能.试验结果表明,网状孔隔板换热器的壳侧换热系数与弓形折流板换热器相当,但该换热器的压降较低,在试验范围内综合性能指标的相对值为1.274;六角梅花孔、三角圆头孔和正方形孔隔板换热器的壳侧换热系数和综合性能均不及弓形折流板换热器.此外,不同的异形孔隔板换热器的传热性能与异形孔的形状或通流孔数目有关,流动阻力与通流孔的总面积和水力周长有关.     

螺旋纵流管壳换热器的传热机理与实现

为了节省能源,提高管壳式换热器的热交换效率,在介质入口封头加装螺旋形折流板、介质出口封头加装旋转螺旋片,形成了一种新型高效管壳式换热器.采用强化传热椭圆换热管加工成螺旋形组成管束作为主要换热元件,改变换热器的结构形式和流程,形成壳程介质螺旋形流动方式,达到壳程内介质流量和管程内介质流量的合理匹配.理论分析和热工试验测试结果表明:椭圆螺旋管束换热器总传热系数高于普通换热器的总传热系数,并且加工成本降低,换热器体积减小,达到了节省能源、降低制造成本的目的,是换热器发展的一个新方向.     

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.     

流路理论在管壳式换热器中的应用

为了节省能源,提高管壳式换热器的热交换效率,采用流路理论分析了强化传热管壳式换热器管程的流量和流速规律,壳程的实际换热面积．分析结果显示均匀分配介质在管程和壳程内流量能有效同时提高管程和壳程的换热面积,达到换热面积的合理匹配,提高总传热系数．通过试验测试表明总传热系数均高于普通换热器的总传热系数,达到了节省能源的目的．     

单弓形小圆孔折流板换热器壳程流体特性

基于流体力学基本原理和周期性充分发展模型理论对换热器壳程流体进行分析。提出一种单弓形小圆孔折流板管束支撑结构,即在传统的单弓形折流板上开孔,减小传热死区和换热管束的振动。利用CFD技术对这种单弓形小圆孔折流板换热器壳程流体的流动和传热性能进行数值模拟。分析结构和操作参数对单弓形小圆孔折流板换热器综合换热性能的影响,利用多元线性回归推导其壳程压降和对流换热系数的准数关系式。研究结果表明:单弓形小圆孔折流板换热器的壳程压降、对流换热系数和综合换热性能分别为传统单弓形折流板换热器的34.25%~50.86%,73.17%~95.29%和1.438 9~2.782 2倍。     

螺旋折流板换热器与弓型折流板换热器性能比较

螺旋折流板与弓形折流板的根本区别在于折流板在壳体中结构形式的变化。弓形折流板在壳体内垂直于换热管束,使壳侧形成若干个并列折返通道,介质急剧改变流向必然产生严重的压力损耗。在实验室条件下,相同结构尺寸换热器,用螺旋折流板代替弓形折流板,其传热系数提高20%至25%,其传热效率提高10%以上。相同条件下,螺旋折流板换热器比弓形折流板换热器的壳程压降降低20%。     

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%。     

U型或浮头式换热器管板中的热应力及其主要影响因素研究

采用有限元法研究了U型或浮头式换热器管板中的热应力，并考察了管板厚度及管壳程对流换热系数的影响。研究结果表明，对于U型或浮头式换热器，管板内仍存在较大的热应力，这是由于管板上换热管中热量传递造成的，并且当管板较厚时这种应力更为突出；在管程走热流体时，管板两侧表面存在拉伸热应力，降低管板厚度可以有效地降低由热载荷引起的管板壳程侧表面热应力，壳程侧表面热应力可由40 MPa降至-13 MPa；壳程传热系数对管板温度场的影响明显，在换热器设计中使对流换热系数较低的介质走壳程有利于降低管板的热应力。     

换热器内锥螺旋弹性管束振动强化传热研究

为分析换热器内锥螺旋弹性管束的流致振动强化换热情况,采用双向流固耦合的数值方法,分别研究入口流速和管排间距对其在壳程流体诱导下的振动响应及传热特性的影响。结果表明当入口流速由0.5m/s增大到0.9m/s,锥螺旋弹性管束的振动强度明显提高,管束的传热性能提高,流致振动使得管束的传热性能分别提高了5.2%、4.3%和3.5%,管束流致振动强化传热性能增强。随着管排间距从30mm增加到40mm,锥螺旋弹性管束的振动强度增大,流致振动使得管束的传热性能分别提高了2.5%、4.9%和3.1%,且管排间距为35mm时锥螺旋弹性管束的传热性能最佳,管束流致振动强化传热性能也最佳。     

径向热管换热器壳程数值模拟及结构参数优化

利用FLUENT软件,对同轴径向热管换热器壳程进行模拟计算,分析烟气速度、温度及局部对流换热系数沿壳程的变化规律,并寻求换热器结构参数优化值。研究结果显示:换热器壳程,离热管管壁越近,温度梯度越大;烟气流经管束时,在管束尾部形成一个楔形的涡流区,速度在流体出现脱体的地方达到最大;湍流强度在涡流中心区域也达到最大值,中心区域的换热强度明显高于热管两侧边缘处,管束尾部的烟气温度低于管边缘处的烟气温度。将模拟结果与测试结果进行比较,误差在10%以内。通过改变换热器结构参数,对换热器壳程烟气对流换热进行分析研究,得到径向热管换热器结构优化参数:横向管距为114~120 mm;纵向管距为120~125 mm;翅片高度不应高于26.5 mm;翅片间距为6 mm。     

采用不同管排组合的换热器弹性管束壳程流体诱导振动响应

为了研究换热器内弹性管束在壳程流体诱导下的振动特性,利用流固耦合的顺序求解法,对换热器内不同管排间距和不同管排数条件下多排弹性管束在壳程流体诱导下的振动响应进行了数值分析;提出了分割式网格划分策略,可大幅度提高网格划分的精度、效率和灵活性;提出了粗算加精算的分步计算策略,可大幅度减少计算时间,提高计算效率。研究表明:在壳程流体诱导下,换热器内各排弹性管束的振动主要表现为面外振动,且振动的均匀性较差;大不锈钢连接体上监测点的振幅受管排间距的影响较大,小不锈钢连接体上监测点的频率受管排间距的影响也较大;当管排间距较小时,各排弹性管束间的相互影响较强;当管排数增加时,各排管束的振动均匀性降低。     

基于壳程数最小年度化费用换热网络综合的研究

根据换热器对数平均传热温差校正因子与换热器进出口温度之间的关系,指出了单壳程偶数管程换热器在可操作条件下的最大温度交叉程度,在此基础上,根据换热器投资费用同壳程数的关系,提出了基于壳程数的换热网络综合的数学模型,并采用遗传模拟退火算法进行了求解,实例表明该模型对求解实际工程换热网络是有效的。     

壳程多通道管壳式换热器中并列分置管束长宽比与深度换热

为研究壳程多通道管壳式换热器中并列分置管束长宽比锐减对其内部速度场及深度换热性能的影响,抽取具有代表性的单元流路区域建立并列分置管束模型.对长宽比范围在1.85～9.23、传热管数目分别为10,20,30,40和50的5个并列分置管束模型应用FLUENT软件进行了数值模拟.研究结果表明:当管程与壳程轴流段平均速度均为10 m/s时,随长宽比锐减,并列分置管束换热性能下降且壳程阻力显著增加,壳程流体速度分布越来越不均匀.在典型工况下,长宽比大于4.62的并列分置管束中冷流体出口温度高于热流体出口温度,即可以实现深度换热,在长宽比小于3.08的并列分置管束模型中不能实现深度换热.这为壳程多通道管壳式换热器的结构设计提供参考依据.     

并流多通道进出口结构轴流管壳式换热器——壳程局部传热性能的实验研究

本文对一种具有并流多通道进出口结构轴流管壳式换热器壳程局部传热性能进行实验研究,分别在有分布挡板与无分布挡板的情况下,研究了进口段局部表面Nu的分布、局部平均Nu与管束位置及Re的关系,以及进口段和换热器整体的平均Nu与Re的变化关系。研究结果揭示了壳程进口段的局部表面Nu的分布规律,并给出了合理的机理分析,表明分布挡板能够有效促进壳程流场的分布和提高换热器壳程的整体传热性能。该研究成果可以为换热器的研究和工程应用提供了参考。     

MPC轴流管壳式换热器的壳程局部传热性能

对一种具有并流多通道进出口结构(MPC)的轴流管壳式换热器的壳程局部传热性能进行实验研究,分别在有壳程进口段分布挡板与无分布挡板的情况下,探讨了进口段局部表面传质努塞尔数的分布、局部平均表面努塞尔数与管束位置及雷诺数的关系,分析了进口段和换热器整体的平均传质努塞尔数与雷诺数的变化关系,揭示了壳程进口段的局部表面努塞尔数的分布规律,并进行了机理分析.研究结果表明,分布挡板能够有效促进壳程流场的分布,提高换热器壳程的整体传热性能.     

螺旋隔板三维翅片管传热实验研究与数值模拟

文章对冷却水在换热器管程流动并与壳程的热油逆流换热条件下,对螺旋隔板三维翅片管换热器的传热与压降性能进行了实验研究,并与光滑管进行了对比.在相同壳程Reynolds数下,三维翅片管的壳程Nusselt数是光滑管的2.2-2.9倍,而压降是光滑管的2.3倍左右.采用计算流体力学软件Fluent 6.0对螺旋隔板三维翅片管和光滑管换热器进行了数值模拟.结果表明,螺旋流条件下光滑管表面速度矢量均匀、稳定,而三维翅片表面的速度矢量因翅片激发流体而产生湍动和不规则的二次流,从而强化了流体的对流传热.对于螺旋隔板三维翅片管换热器,壳程Nusselt数和压降的数值模拟结果与实验计算值吻合良好,最大偏差分别为6.3%和9.8%.     

一个比较有价值的换热器分程密封结构——带纵向隔板的换热器的壳程密封结构改造

带纵向隔板的换热器的壳程密封结构是国际上比较普遍使用的设备。