锥纹管换热器流体流动与传热性能实验研究

波纹换热管是一种具有特殊形状的双面强化传热管,传热效率高,轴向变形补偿能力强,被广泛应用于工程实际中。锥纹管是在传统波纹管的基础上进行改进得到的新管型,具有优越的强化传热特性。针对锥纹管弓形折流板换热器的流动与传热特性进行实验研究,并将其与传统光滑管弓形折流板换热器进行对比,实验结果表明：在所测试流量范围内,当管程介质为水,壳程介质分别为水和32#液压油时,与光滑管换热器相比,锥纹管换热器的总传热系数分别提高了5%~40%和5%~20%,管程压力降升高了20%~70%,壳程压力降降低了10%。同时进行了相关数值模拟计算,并基于实验和模拟结果,对以水为介质的锥纹管换热器的管壳程传热准则关联式进行了拟合,数值验算结果表明,关联式可以满足工程设计的精度要求。     

锥纹管换热器流体流动与传热性能实验研究

波纹换热管是一种具有特殊形状的双面强化传热管,传热效率高,轴向变形补偿能力强,被广泛应用于工程实际中。锥纹管是在传统波纹管的基础上进行改进得到的新管型,具有优越的强化传热特性。针对锥纹管弓形折流板换热器的流动与传热特性进行实验研究,并将其与传统光滑管弓形折流板换热器进行对比,实验结果表明：在所测试流量范围内,当管程介质为水,壳程介质分别为水和32#液压油时,与光滑管换热器相比,锥纹管换热器的总传热系数分别提高了5%～40%和5%～20%,管程压力降升高了20%～70%,壳程压力降降低了10%。同时进行了相关数值模拟计算,并基于实验和模拟结果,对以水为介质的锥纹管换热器的管壳程传热准则关联式进行了拟合,数值验算结果表明,关联式可以满足工程设计的精度要求。     

波形折流杆换热器的工业实验研究

对波形折流杆换热器的传热性能和壳程流体阻力性能进行了工业实验研究，管程流体为工业热醋酸，壳程流体采用循环冷却水。通过实验得到了该换热器在设计工况下的总传热系数，并应用修正的威尔逊图解法得到了管程、壳程传热准数关系式。     

Physical quantity synergy in laminar flow field of convective heat transfer and analysis of heat transfer enhancement

Based on the principle of field synergy for heat transfer enhancement, the concept of physical quantity synergy in the laminar flow field is proposed in the present study according to the physical mechanism of convective heat transfer between fluid and tube wall. The synergy regulation among physical quantities of fluid particle is revealed by establishing formulas reflecting the relation between synergy angles and heat transfer enhancement. The physical nature of enhancing heat transfer and reducing flow resistance, which is directly associated with synergy angles α,β,γ,φ,θ and ψ; is also explained. Besides, the principle of synergy among physical quantities is numerically verified by the calculation of heat transfer and flow in a thin cylinder-interpolated tube, which may guide the optimum design for better heat transfer unit and high-efficiency heat exchanger.     

Hamilton-Jacobi-Bellman equations and dynamic programming for power-optimization of a multistage heat engine system with generalized convective heat transfer law

A multistage endoreversible Carnot heat engine system operating between a finite thermal capacity high-temperature fluid reservoir and an infinite thermal capacity low-temperature environment with generalized convective heat transfer law [q∝(ΔT) m ] is investigated in this paper.Optimal control theory is applied to derive the continuous Hamilton-Jacobi-Bellman (HJB) equations,which determine the optimal fluid temperature configurations for maximum power output under the conditions of fixed initial time and fixed initial temperature of the driving fluid.Based on the universal optimization results,the analytical solution for the Newtonian heat transfer law (m=1) is also obtained.Since there are no analytical solutions for the other heat transfer laws (m≠1),the continuous HJB equations are discretized and dynamic programming algorithm is performed to obtain the complete numerical solutions of the optimization problem.The relationships among the maximum power output of the system,the process period and the fluid temperature are discussed in detail.The results obtained provide some theoretical guidelines for the optimal design and operation of practical energy conversion systems.     

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300mm、螺距为19.52mm、管道直径为9.52mm的换热器螺旋管进行了数值模拟,分析了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。该研究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给予了一些参考。     

波壁管式换热器内壳侧流体流动与换热特性

传统的直壁管式换热器的换热效率不高,为了增强换热器内流体的换热效率。采用数值模拟的方法对<1-2>型波壁管式换热器内流体的流动与换热特性进行了研究,重点探讨了雷诺数Re与波壁管半径比i对换热器内流体的流动特性、阻力特性、换热特性以及综合换热性能的影响。结果发现,与直壁管式换热器相比,波壁管式换热器内流体的流动状态能够得到较大的改善。波壁管式换热器壳程流体的进出口平均压降比直壁管式换热器低,平均压降最大可降低11.01%,并且发现随着Re的增加,平均压降明显增大,随着i的增加,平均压降略有增大。波壁管式换热器壳程内流体的对流换热系数h_s明显大于直壁管式换热器,h_s最大可增加14.17%。h_s随着Re的增大逐渐增加,而i对h_s的影响不明显。同时发现波壁管式换热器的综合换热性能与雷诺数Re成正相关,而与半径比i成负相关。与直壁管式换热器相比,波壁管式换热器的综合换热性能更强。     

引入惰气强化对流传热过程研究

引入惰气增强传热具有清洁、增加的压力降小和不干扰流体流动等优点．在传热实验装置的竖直向上矩形管道入口处引入氮气,通过对一般对流传热与引入氮气情况下的传热实验进行对比,考察了引入氮气对传热的增强作用。结果表明：混合对流传热时。传热的增强更加显著,引入惰气对对流传热的增强程度要明显好于对过冷沸腾传热的增强．通过对惰气增强传热的机理进行分析,提出惰气对传热的增强作用,是气泡引起液速增加而产生的湍动增强和气泡滑移而产生的边界层湍动增强这两种机理叠加作用的结果。     

凝固换热器凝固换热特性模拟分析

采集凝固热热泵系统为寒冷地区地表水等热能资源的开发利用提供了新思路,其关键设备凝固换热器的换热性能直接关系到热泵系统的供热运行效率.在介绍凝固换热器及其冬季换热工况的基础上,通过定义凝固当量换热系数比等量纲一参数,采用准稳态近似与拟合等方法,对紊流状况地表水凝固换热特性进行了模拟分析,建立了刮冰周期内平均凝固当量换热系数比的统计数学模型.结果表明:入口水温与管壁温度越低、管径与Re越小、管长越大,瞬时凝固当量换热系数比越高,而凝固换热器的平均凝固当量换热系数比在1～4变化.     

换热面裕量对再生式换热器热工特性的影响分析

再生式换热器由再生段和冷却段共同构成,凭借再生段的加入,再生式换热器有助于减小换热器承受的热应力以及回收部分热量,而广泛应用于研究型反应堆的各试验回路中。在再生式换热器设计中,通常会对换热面积保留一定的裕量以应对换热管破损、阻塞以及工况波动等情况发生。结合再生式换热器的结构特点,在不利因素未发生时,将设计裕量效果计入实际的换热中,分析不同的设计裕量对再生式换热器理论运行功率、流质流量以及出口温度等的影响。分析结果表明,再生式换热器的理论运行功率随着冷却段设计裕量的增加而逐渐增加,而随着再生段设计裕量的增加而逐渐减小。再生段及冷却段设计裕量对再生式换热器的功率调节跨度影响不大,但再生式换热器的理论功率调节区间在再生段设计裕量增加时会逐渐下移,而在冷却段设计裕量增加时会逐渐上移。要克服再生段裕量对运行功率带来的不利影响,可以选择增加相应的冷却端设计裕量以及加大二次水流量。再生式换热器运行于功率调节下边界以下时,再生段保持一定设计裕量有利于一次水的流量更为接近设计流量。鉴于分析的结果,对于处于稳态试验回路中的再生式换热器,建议再生段裕量小于10%以满足设计功率,而对需要具备降功率运行的再生式换热器,建议可以取较大的再生段裕量以减小一次水流量的波动。     

EHD强化沸腾换热的模型分析

在分析沸腾及EHD强化换热理论的基础上,结合R11工质在垂直管内受直流高电压作用下的沸腾换热试验数据,提出EHD强化沸腾换热的数学模型;模型计算与试验结果的相对误差小于±30%.     

电极对EHD强化沸腾换热的影响

通过综合国内外EHD强化沸腾换热的最新研究成果，分析了电极的形状，位置，材料和极性对EHD强化沸腾换热的影响，并指出了该领域的研究方向。     

扭曲椭圆管内超临界CO2冷却换热的数值模拟

为了提高CO₂热泵的传热性能,基于Fluent的数值模拟方法研究了不同质量流量下,扭距为100 mm及无扭曲状态下的水平椭圆管管内超临界CO₂冷却换热特性及二次流的变化规律,并针对竖直椭圆管引入局部换热系数和压降,研究了长短轴比b/a及扭距对扭曲管换热性能的影响。结果表明,低质量流量下扭曲椭圆管内浮升力明显大于椭圆管扭曲结构所产生的浮升力,对于低质量流量G<200 kg/(m²·s²)下的超临界CO₂流体,椭圆管具有更大强度的浮升力所造成的二次流,强化传热更明显;对于高质量流量G>200 kg/(m²·s²)下的超临界CO₂流体时,扭曲椭圆管具有更大强度自身结构所产生的周期性二次流来强化传热;管内的传热系数及压降随着扭曲程度及压扁程度的增大而增大。为扭曲椭圆管在CO₂热泵中的应用提供了重要的理论与数据支持。     

倾斜波纹翅片振荡流热管的三维数值模拟研究

对平板翅片和倾角分别为15°、30°、45°的波纹翅片振荡流热管的流体流动和传热过程进行了数值模拟研究,得到了流体的温度和速度分布,并将其进行比较分析。模拟结果表明波纹翅片振荡流热管的传热效果随着倾角的增大而增强,但同时也增大了压力损失。模拟结果对振荡流热管换热器的强化传热研究有一定的指导意义。     

无管换热器的稳态换热特性

对无管换热器中颗粒帘换热单元的稳态换热特性进行了研究,为目前空气预热器的研究提供新的指导方向.通过传热数学模型构建、详细数学计算和定量分析,研究了颗粒质量流量对换热单元以及无管换热器出口温度的影响.研究结果发现,在颗粒帘换热单元中,当颗粒质量流量足够时,冷流体加热后的出口平均温度可无限接近热流体初始温度,冷热流体之间实现深度换热,换热效果明显;在满足颗粒帘空隙率大于0.98的条件下,颗粒质量流量越小,气固颗粒在换热通道中越容易达到换热平衡;由于换热单元中间冷热源-气固颗粒之间的温差小,换热单元的换热效率低,使得由换热单元组成的无管换热器冷热气体之间的整体换热效率较低.     

折流板结构对管壳式换热器壳程流动与传热的影响

利用F luent软件,对弓形折流板换热器和连续螺旋折流板换热器壳程的流场、流动阻力和换热进行了数值模拟分析,并对计算结果进行了实验验证.结果表明,弓形折流板换热器壳程存在明显的流动滞流区,螺旋折流板换热器中的流场分布则比较均匀.在相同的流量条件下,螺旋折流板换热器壳程的流动压降大约只有弓形折流板换热器的32%,换热能力则略低于弓形折流板换热器,但单位压降下的换热系数有很大的提高,大约是弓形折流板换热器的1.3倍.数值计算结果与实验值符合良好,说明采用的数学模型是合理的,较真实地反映了换热器的实际情况.     

太阳能螺旋槽管相变蓄热器强化传热性能研究

针对太阳能利用过程中的蓄热储能问题及螺旋槽管换热器的优点,将螺旋槽管引入太阳能相变蓄热器中,并对蓄热器的蓄热过程进行了数值模拟。首先以光滑管蓄热器为例实验验证了该模拟方法和所用模型的可靠性,进而以螺旋槽管为水流管道、相变材料为蓄热介质,利用Gambit 建立三维蓄热器模型,应用ICEM对几何模型进行网格划分,运用流体计算软件Fluent模拟计算螺旋槽管和光滑管相变蓄热器的蓄热过程,考察螺旋槽管的强化传热效果。模拟计算螺旋槽管蓄热器不同槽纹节距和槽深等结构参数对蓄热器蓄热过程的影响,并对其影响规律进行了分析。结果表明,螺旋槽管代替光滑管用于太阳能相变蓄热器,可有效提高相变蓄热过程中的对流换热强度和传热能力,缩短蓄热时间,在模拟范围内,得到的最佳螺旋槽管结构参数为节距p=7 mm,槽深e=0.4 mm。螺旋槽管传热性能良好,对其深入研究有望进一步改进相变蓄热器的设计方案。     

新型内翅式氮气换热器对流换热性能研究

通过实验的方法研究了一种新型内翅式氮气换热器的对流换热和阻力特性,建立了所测Re范围内对流换热和阻力实验关联式,并且在相同质量流量、相同泵功率、相同阻力降的条件下比较了该翅片管与普通光管之间的传热效果.与类似的波纹管的换热效果进行了比较,结果表明,新型内翅式氮气换热器具有较好的换热效果,特别是在较低Re条件下,效果更加明显.     

Application of a multi-field synergy principle in the performance evaluation of convective heat transfer enhancement in a tube

For laminar and turbulent convective heat transfer, the synergy among vectorial physical quantities of a fluid particle is analyzed to reveal the relation between the multi-field synergy mechanism and heat transfer enhancement. Additionally, the efficiency evaluation criterion (EEC) is proposed to evaluate the overall performance of heat transfer enhancement. Meanwhile, using synergy angles α,β,,γ and η, a unified evaluation system and corresponding evaluation indexes for heat transfer enhancement are suggested. A model of a heat-transfer-enhanced tube inserted with poles in a triangular configuration is built, and a corresponding numerical simulation is conducted to verify the proposed evaluation system and criterion. The calculation results show that there is correlation between synergy angles reflecting the direction of heat transfer enhancement and evaluation criterion reflecting the effect of heat transfer enhancement. In the Re number range of 300-1800, the performance evaluation criterion PEC lies in the range of 1.2-2.3, but the efficiency evaluation criterion EEC lies in the range of 0.33-0.45.     

螺旋折流板波槽管换热器换热与阻力实验研究

以水为工质，对螺旋折流板波槽管换热器、螺旋折流板光管换热器及传统弓形折流板光管换热器进行了壳程和管程的传热及阻力对比实验研究．结果表明，相比弓形折流板光管换热器，螺旋折流板光管换热器总传热系数和壳程换热系数分别提高50％～80％和90％，壳程阻力减少15％～20％；螺旋折流板与波槽管结合使用，换热能力进一步加强，总传热系数是弓形折流板光管换热器的2．01～2．11倍，是螺旋折流板光管换热器的1．15～1．6倍．