螺旋折流板管壳式换热器壳程传热强化研究进展

在介绍螺旋折流板管壳式换热器的结构及原理的基础上,对壳程传热强化及阻力特性的研究现状进行了总结,分析了壳侧流体的流动和换热机理,表明螺旋折流板结构是改善壳侧流动换热性能的有效措施.与弓型折流板换热器相比,螺旋折流板换热器的最大特点是单位压降下的壳侧换热系数高.结合具体实例介绍了其在石油化工、能源动力及核能应用等行业中的应用前景.关于螺旋折流板换热器,还有许多问题需要进一步研究,如流动换热的机理以及影响流动换热机理的几何因素、相变情形、介质物性等.     

断续螺旋折流板在管壳式换热器中的应用

对断续螺旋折流板与普通弓形折流板管壳式换热器的传热与流阻特性进行了实验对比研究.研究结果表明:将断续螺旋折流板应用于管壳式换热器能明显增强换热效果,在相同流速下壳侧换热系数是弓形折流板换热器的1.39～1.67倍,断续螺旋折流板换热器的总传热系数是弓形折流板换热器的1.15～1.37倍;但阻力有所增加,壳侧阻力是单弓形折流板换热器的3.25～3.67倍.     

两种不同结构形式的折流板对管壳式换热器的影响因素分析

管壳式换热器由于其结构简单、强度可靠、技术成熟、耐高温高压,所以是目前换热器的主要结构形式,被广泛应用于石油化工、轻工制药、航空等许多行业。传热强化一直是管壳式换热器的研究热点,而折流板的结构对壳程的传热特性尤为重要。首先采用流体仿真软件Fluent对弓形折流板和盘环折流板的流场和流阻进行了数值模拟,模拟结果表明壳程采用盘环折流板比弓形折流板传热效果好,但对应的流阻比弓形折流板的要高,产生的压力损失比弓形折流板的大。其次通过实验验证了弓形折流板和盘环折流板对流体传热和压力损失的影响,实验结果和数值模拟结果一致,证明了数值模拟的准确性,可为工程管壳式换热器折流板的选型提供参考。     

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.     

折流板间距对换热器性能影响的数值研究

采用CFD数值模拟方法,研究了简化模型下弓形折流板和螺旋折流板换热器,对应于不同间距／螺距时。流动参量的变化对换热器整体流动与传热性能的影响。结果表明,两种结构对应的壳程压力损失和换热系数均随壳程流量的增加而增大,而螺旋折流板结构单位压降下换热系数大于弓形折流板,并且其性能受折流板螺距变化的影响较小,体现了螺旋折流板结构的优越性。计算结果与现有实验结论吻合较好。     

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%。     

螺旋折流板换热器折流板的数控加工

螺旋折流板管壳式换热器比传统的弓形折流板换热器具有更高的换热效率,但是螺旋折流板结构实现起来十分困难,阻碍了其在工程上的应用.螺旋折流板在壳程内倾斜布置,与换热管交叉成一定角度,上面的孔为斜孔,采用传统的机械加工方法难以实现.针对2管程换热器,将一个周期的折流板分为4块,对折流板上管孔的排布方式进行研究分析,找出规律,建立了数学模型,用EIA代码编制了数控加工程序.在MITSUBISHI操作系统的数控钻铣床上,采用特殊的刀具,将折流板点焊为一摞,装夹在旋转工作台上,使之与刀具成一个固定角度,实现了阶梯式螺旋折流板上孔的加工,解决了制造的难题,提高了生产效率和钻孔精度,为螺旋折流板管壳式换热器的推广应用提供了可能.     

螺旋折流板换热器折流板的数控加工

螺旋折流板管壳式换热器比传统的弓形折流板换热器具有更高的换热效率,但是螺旋折流板结构实现起来十分困难,阻碍了其在工程上的应用。螺旋折流板在壳程内倾斜布置,与换热管交叉成一定角度,上面的孔为斜孔,采用传统的机械加工方法难以实现。针对2管程换热器,将一个周期的折流板分为4块,对折流板上管孔的排布方式进行研究分析,找出规律,建立了数学模型,用EIA代码编制了数控加工程序。在MITSUBISHI操作系统的数控钻铣床上,采用特殊的刀具,将折流板点焊为一摞,装夹在旋转工作台上,使之与刀具成一个固定角度,实现了阶梯式螺旋折流板上孔的加工,解决了制造的难题,提高了生产效率和钻孔精度,为螺旋折流板管壳式换热器的推广应用提供了可能。     

旋梯式螺旋折流板换热器优化结构的数值模拟

针对现有螺旋折流板换热器在相邻两块折流板的直边对接处形成三角区漏流而降低换热器换热性能的问题,提出了一种旋梯式螺旋折流板换热器,即旋梯式折面折流板由一块大平板经过两次弯折后形成,其中两平面与管束轴线垂直,另一平面与两平面的夹角(折弯角)相同。对旋梯式螺旋折流板换热器的结构进行了计算流体力学模拟优化,结果表明:利用折面板结构及直边重叠特点,消除了三角区漏流,改善了壳程流场,使得换热器壳程流体流动更接近于螺旋流,换热得以强化;折弯度为0.3、切割百分数为90%、折弯角为37°时,旋梯式螺旋折流板换热器综合性能最优,换热器热性能因子提高了28.4%~30.7%,平均增加了29.9%。该结果可为螺旋折流板换热器的节能优化提供参考。     

螺旋折流板换热器壳程流体流动的数值模拟

在对螺旋折流板管壳式换热器结构和操作条件进行简化的基础上，采用计算流体动力学分析方法建立数学模型，并利用CFD分析软件FLUENT模拟换热器壳程流动特性，得到了换热器壳程流场分布的直观信息。对流体传热特性做了初步探讨，并比较了弓形折流板换热器和螺旋折流板换热器的流动特性，为这种换热器结构的优化和产品的研究开发提供一定的依据。     

内嵌百叶板换热器的壳程流动与传热特性

针对普通弓形板换热器折流板后易出现流动死区的现象,对折流板进行优化设计,并提出一种内嵌百叶板换热器.应用计算流体力学软件Fluent得到内嵌百叶板换热器壳程流场分布,并与普通弓形板换热器进行对比,分析百叶角度与百叶数量对换热器性能的影响.结果表明:与普通弓形板换热器相比,百叶可引流部分流体通过折流板,使内嵌百叶板换热器内流动死区面积明显减小,流场分布更加均匀,具有明显的减小壳程流体压降及提高壳程传热系数的作用;在研究范围内,当百叶角度为60°,百叶数量为每组4片时,换热器的综合性能最佳,综合评价因子可达1.76～2.05.     

管壳式换热器设计软件的开发

为提高管壳式换热器设计效率,以VB程序语言为平台,基于换热器壳侧传热性能指标设计开发了管壳式换热器计算软件。用户通过使用软件既可设计出满足给定换热量要求、规定压降条件的一系列国家标准弓行板式换热器结构;又可设计新型螺旋折流板换热器。软件计算准确性较高,可供工程设计及类似软件开发借鉴。     

列管式换热器的计算机辅助选型设计

开发了列管式换热器计算机辅助选型设计程序。该程序解决了列管式换热器选型时的比较复杂的运算问题。该程序具有界面美观，操作方便，计算迅速、准确等特点。     

车用散热器百叶窗布置方式的数值模拟与分析

针对车用百叶窗翅片式散热器的传热和流阻特性,采用数值模拟计算方法对百叶窗对称布置和非对称布置2种方式的散热器进行了研究分析,通过计算百叶窗翅片空气侧的传热量、传热因子和压降,以及散热器综合性能评价因子,获得了综合性能较优的百叶窗布置形式.结果表明,在相同的进出口边界和给定的几何参数条件下,对称布置的百叶窗翅片具有较高的传热性能,但流阻性能较差.当空气入口速度为5.58,m/s时,与非对称形式相比,对称布置时的传热量提高了14.7%,压降却增加了29.3%;在不同的空气入口速度条件下,对称布置时百叶窗翅片具有较高的散热器综合性能评价因子,因此,百叶窗对称布置时散热器综合性能较好.     

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。     

折流杆换热器的应用分析

分析了折流板换热器换热管泄漏的原因,并提出了改造方案.采用杆式折流替代板式折流,不仅解决了换热管束由于剧烈振动而导致的泄漏问题,而且换热器的总传热系数提高了34%,壳程阻力损失减小了23%,达到了良好的改造效果.     

翅片管式换热器空气侧流动及换热性能的数值模拟

借助CFD软件对3种不同类型的翅片管式换热器(平直翅片、均匀波纹翅片和倾角渐增波纹翅片)的流动传热性能进行了三维数值模拟计算,得出了在不同入口风速下各流域中心面的温度场、压力场和速度场分布图,计算出各翅片表面在不同风速下的平均传热系数和阻力系数,并与相关实验数据对比,证明该数值模拟的正确性.研究结果表明,倾角渐增波纹翅片的平均努谢尔数比平直翅片的高13.8%~29.3%,比均匀波纹翅片的高5.5%~10.3%,其强化传热效果显著.     

管壳式冷凝器内低螺纹管的凝结传热模型

以蒸气在垂直壁面和水平圆管上的凝结传热特性为基础，建立了蒸汽在基管，翅片及翅顶上的凝结传热模型，对影响低螺纹管传热的结构参数翅片间距，翅片夹角以及当量翅高进行了计算分析，进而建立了低螺纹管管簇的凝结传热模型，得出了低螺纹管管簇的平均冷凝传热系数与管排数和管列数之间的关系式。     

管壳式换热器振动的计算机程序

本程序设计对管壳式换热器在操作工况下是否产生振动作了分析，并对振动时换热器是否产生破坏加以判别，指出了振动破坏可能发生的位置及原因，为防止振动提供了可靠的理论依据。     

列管式换热器的优化设计

提出了在设计列管式换热器时的整体优化、简化设计的计算步骤过程,从而可使设计者便于计算,以获适宜或最佳设计