连续螺旋折流板管壳式换热器动态特性研究及预测_吴峰

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板壳式换热器流动与传热的数值模拟

板壳式换热器流动与传热的数值模拟徐辉;苏文献【摘要】基于计算流体力学方法对板壳式换热器内部流场进行模拟,建立了板壳式换热器流动及换热计算的模型,模拟了换热器内部流动和换热情况,分析了流道内温度场和压力场及流线的分布情况,对流体的流动和传热进行了详细的描述,分析了换热器内流体流动和传热特性,对实际工程具有一定的指导意义.【期刊名称】《能源工程》【年(卷),期】2018(000)004【总页数】5页(P71-74,79)【关键词】板壳式换热器;流动;传热;数值模拟【作者】徐辉;苏文献【作者单位】上海理工大学能源与动力工程学院,上海200093;上海理工大学能源与动力工程学院,上海200093【正文语种】中文【中图分类】TK1240 引言随着我国工业化进程的加快，节能减排越来越重要。

换热器作为工业生产中的重要设备，提高换热器换热效率、减少能耗已迫在眉睫。

近年来，一种耐高温耐高压、换热效率高的板壳式换热器应运而生。

对其展开深入的研究，提高其换热效率，减少能源消耗，具有重要的意义。

国外如ILAS、BOJKO等[1-3]对换热器流动状态与传热性能进行了详细的研究，国内如潘胜、文键、李青等[4-6]对壳侧流场的数值模拟也展开了深入的分析研究。

本文中以板壳式换热器为研究对象，利用计算流体力学(computational fluid dynamics, CFD)方法数值模拟了换热器内部的压力场和温度场，对流体流动与换热进行了详细的分析。

1 数值模型计算1.1 换热器整体模型利用数值模拟软件FLUENT对板壳式换热器进行模型建立。

表1所列为板壳式换热器的结构尺寸，图1为板壳式换热器模型，图2为换热器管程壳程流体流动示意，换热器的板程由相邻的波纹板交叉组成。

板程流体流动如图2中黑色箭头所示；换热器的壳程由两个板束之间焊接而成，壳程流体的流动如图2中红色箭头所示。

通过采用多流程的形式，实现两侧逆流流动传热，提高换热器的换热效率。

管壳式换热器的建模、换热计算和CFD模拟

毕业设计（论文）管壳式换热器的建模、换热计算和CFD模拟专业年级2007级热能与动力工程专业学号姓名******** 杨郭指导教师刘巍评阅人刘庆君二零一一年六月中国南京任务书课题名称：管壳式换热器的建模、换热计算与CFD模拟课题类型：毕业论文任务书内容:1、英文资料的翻译5千个汉字字符以上（要求和热动、空调、能源、环境、新能源等本专业有关的内容，可以是英文著作、设备使用手册、英文文献检索、英文专利文献、网上专题介绍等实用性的、将来工作中可遇到的相关题材的文章，最好不要是科普类、教学类的英文）2、使用的原始资料（数据）及设计技术要求：2.1.管壳式换热器，热交换功率100kW，200kW。

2.2.温度进口350~500℃，出口温度150~200℃，流速可变；温度进口100~150℃，出口温度300~450℃，流速可变。

其总流阻损失应在满足规定要求。

2.3.换热器材料可选，几何尺寸可变；工作介质可选择（空气、水、氟利昂） 2.4.换热器外壁面绝热保温； 2.5.采用CFD模拟计算与能量分析，对系统进行相关工况的模拟；3、设计内容：3.1. 学习和消化设计任务书，按照设计任务书的设计内容，拟定工作内容和计划，拟定出设计和计算的每个过程中应该遵循设计要求与规定。

3.2.查找和收集有关管壳式换热器的历史和现状资料，查找相关管壳式换热器的运用案例，及其相关的技术条件和运行要求。

3.3.以科技文献检索，包括期刊、专利、设计标准、产品标准、设计手册、产品样本，寻找和熟悉相关的分析计算软件；熟悉设计工具软件、电脑等；3.4.根据已知参数，用ProE设计出符合要求的管壳式换热器，并学习如何导入相关软件进行网格设计；3.5.进行管壳式换热器CFD网格设计，用fluent软件对管壳式换热器进行变工况运行能量分析；3.5.分析计算换热器的流阻损失，其结果的合理性，分析提高换热效率主要手段和改进的方向。

3.6.输出的计算文件包括：3.6.1.完整的毕业设计任务书3.6.2.符合要求的算模型的结构、尺寸； 3.6.3.换热计算的过程、表格，计算结果的结论等等； 3.6.4.规定状态的CFD模拟结果和能量分析图； 3.6.5.毕业设计论文； 3.7.把所作的工作、学习的体会、方案的选择过程、计算方案过程等写在过程手册中，写好毕业设计论文。

螺旋折流板与弓形折流板换热器性能的数值模拟

螺旋折流板与弓形折流板换热器性能的数值模拟
李斌;孙晓明;张伟;亓航;张亚东
【期刊名称】《广东化工》
【年(卷),期】2018(045)018
【摘要】针对弓形折流板、连续螺旋折流板换热器,采用FLUENT软件,k-ε湍流模型,通过数值模拟的方法比较了4块挡板的弓形折流板换热器和4个螺旋的螺旋折流板换热器的壳程流动与换热性能.结果表明:弓形折流板换热器流动湍动程度强,换热系数更大;螺旋折流板换热器壳程流动呈螺旋状,流动阻力更小;比较单位压降换热系数,螺旋折流板换热器综合性能优于弓形折流板换热器.
【总页数】3页(P5-7)
【作者】李斌;孙晓明;张伟;亓航;张亚东
【作者单位】中国石油大学(华东)储运与建筑工程学院,山东青岛266580;中国石油大学(华东)储运与建筑工程学院,山东青岛266580;中国石油大学(华东)储运与建筑工程学院,山东青岛266580;中国石油大学(华东)储运与建筑工程学院,山东青岛266580;中国石油大学(华东)储运与建筑工程学院,山东青岛266580
【正文语种】中文
【中图分类】TK124
【相关文献】
1.螺旋折流板换热器的数值模拟及螺旋角对其性能的影响 [J], 王艳云;刘红禹;张立新;冯峰;刘佳宁
2.螺旋折流板与弓形折流板换热器的性能比较 [J], 蔡志刚;张国福;宋天民
3.螺旋折流板换热器阻力及换热性能数值模拟 [J], 李斌;孙晓明;张伟;亓航;张亚东
4.不同折流板结构螺旋折流板换热器传热性能的比较(英文) [J], 董聪;陈亚平;吴嘉峰
5.1/4椭圆螺旋折流板换热器性能的数值模拟 [J], 王晨;桑芝富
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内螺纹管内流动传热特性研究进展

１文献综述
近２Ｏ年来，热强化技术有突飞猛进的发展，传
突出在采用热管、展表面以及各种破坏流动边界扩层和热边界层的干扰器（如二维、维低肋表面、三螺纹管、刘子）绕等强化手段．自美国Ｈｗｏａｓｎ等１９９６年发表第ｌ关于螺纹管的研究报告以来，纹管篇螺
经济的大发展和科学技术的发展，界能源危机、世大量使用化石能源和工业中使用的大量的制冷剂都对大自然环境造成破坏，使人类对节能和环保问题迫给予越来越多的关注，国的研究者都致力于寻找各
规律、热恶化及预报等。传
关键词：螺纹管；热；能内传节
节能和环保是当今世界的２大热点，随着工业
运行锅炉的水冷壁的传热和水动力状况都关系电厂的安全运行．国内外科研工作者对内螺纹管内传热和流动特性开展了较为广泛的实验研究，与光管但比较，研究还不够深入。者力图总结归纳近其笔３Ｏ年来内螺纹管内传热和流动的研究成果．
数对单管的影响；ｌｎ［、兴华］谷波ＣｅｄＡＣ２黄ａ、
高参数大型锅炉的水冷壁和各种换热器，内螺纹管
都有重要的应用。应用和研究角度，从换热设备的换热和流动规律及特性都至关重要，比如，临界滑压超

预测多股流板翅式换热器动态特性的网络法

收稿日期：０２０－６２０．８１基金项目：家重点基础研究发展规划项目（２（Ｘ３１；国Ｇ０Ｘ￣０）
２（９；２德国汉堡国防军大学）０Ｘ３）．（．海理工大学热工程研究所，Ｉ上上海
摘要：提出了一种基于两股流换热器网络动态特性预测多股流换热器动态性能的网络法。经与实验对比，明这是一种简表
１前言
多股流板翅式换热器替代两股流换热器网络，
２多股流板翅式换热器动态特性的网络法构造
多股流板翅式换热器都可分解为简单的两股流换热器网络，即转化为与之等效的两股流换热器网络。而每一台两股流换热器都可以用文献［］供１提的传递函数通用表达式来描述该换热器输入输出性能［中的参数对各种情况具有不同定义式（）。其１］
维普资讯
《工业加热》０２第５期２０年
文章编号：０２１３（０２０．０１４１０．６９２０）５０２．０
预测萋股流板罗行２蔡祖恢，，，
便、正确描述多股流换热器动态性能的方法。
关键词：股流换热器；态特性；网络法多动中图分类号：Ｋ２ＴＩ４文献标识码：Ａ
ＡｔｒｅｈｄｅｃｉｇｔｅＤｙａｃＣｈｒｃｅｉｔｓｏＮｅｗｏｋＭｔｏＰｒｄｉｔｈｎｍｉａａｔｒｓｉｆｎｃ

换热器计算思考题及参考答案

换热器思考题1. 什么叫顺流？什么叫逆流（P3）？2.热交换器设计计算的主要内容有那些（P6）？换热器设计计算包括以下四个方面的内容：热负荷计算、结构计算、流动阻力计算、强度计算。

热负荷计算：根据具体条件，如换热器类型、流体出口温度、流体压力降、流体物性、流体相变情况，计算出传热系数及所需换热面积结构计算：根据换热器传热面积，计算热交换器主要部件的尺寸，如对管壳式换热器，确定其直径、长度、传热管的根数、壳体直径，隔板数及位置等。

流动阻力计算：确定流体压降是否在限定的范围内，如果超出允许的数值，必须更改换热器的某些尺寸或流体流速，目的为选择泵或风机提供依据。

强度计算：确定换热器各部件，尤其是受压部件(如壳体)的压力大小，检查其强度是否在允许的范围内。

对高温高压换热器更应重视。

尽量采用标准件和标准材料。

3. 传热基本公式中各量的物理意义是什么（P7）？4. 流体在热交换器内流动，以平行流为例分析其温度变化特征（P9）？5. 热交换器中流体在有横向混合、无横向混合、一次错流时的简化表示（P20）？一次交叉流，两种流体各自不混合一次交叉流，一种流体混合、另一种流体不混合一次交叉流，两种流体均不混合6. 在换热器热计算中, 平均温差法和传热单元法各有什么特点（P25、26）?什么是温度交叉，它有什么危害，如何避免（P38、76）？7．管壳式换热器的主要部件分类与代号（P42）？8．管壳式换热器中的折流板的作用是什么，折流板的间距过大或过小有什么不利之处（P49～50）？换热器安装折流挡板是为了提高壳程对流传热系数，为了获得良好的效果，折流挡板的尺寸和间距必须适当。

对常用的圆缺形挡板，弓形切口过大或过小，都会产生流动“死区”，均不利于传热。

一般弓形缺口高度与壳体内径之比为0.15～0.45，常采用0.20和0.25两种。

挡板的间距过大，就不能保证流体垂直流过管束，使流速减小，管外对流传热系数下降；间距过小不便于检修，流动阻力也大。

螺旋扭曲扁管换热器的研究进展与工业应用

螺旋扭曲扁管换热器的研究进展与工业应用
刘庆，朱冬生
1 1,2
，杨蕾
1
（1 华南理工大学化学与化工学院传热强化与过程节能教育部重点实验室，广东广州 510640； 2 华东理工大学机械与动力学院，上海 200237）摘要：根据对流传热的场协同理论和螺旋扭曲扁管换热器的特殊结构，深入分析了螺旋扭曲扁管换热器的综合性能。回顾了螺旋扭曲扁管换热器在国内外研究进展情况，并对影响其综合性能的各影响因素进行了讨论，同时介绍了螺旋扭曲扁管换热器国内外工业应用实例。最后，对螺旋扭曲扁管换热器的进一步研究进行了展望。关键词：螺旋扭曲扁管；换热器；影响因素；工业应用
1/ 3
， 0 / p0 作为分别评价管程、壳程综合性
能的准则，得出了适宜使用螺旋扭曲扁管换热器的 Re 范围：管程 Re<5000，壳程 Re<8000；另外，实验还考察了导程 St 对传热和阻力的影响，并且给出了传热准则公式。梁龙虎[33]比较了螺旋扭曲扁管换热器和光管换热器的管程综合性能，以及螺旋扭曲扁管换热器和折流杆换热器壳程综合性能，得出螺旋扭曲扁管换热器管程和壳程都有更好的传热与流阻综合性能，同时还考察了管径对传热与流阻的影响。顾红芳、陈听宽[34]以含不凝性气体的煤油为管外冷凝的气体，冷水为管内工作介质，与光管进行了比较，认为螺旋扭曲扁管作为冷凝设备有广泛的应用前景；另外，试验还研究了不凝性气体含量、管子的排列方式、母管管径以及导程对传热的影响。黄德斌、邓先和[35]等比较了四种结构不同的螺旋扭曲扁管换热器以及两种直椭圆管换热器，得出结论：螺旋扭曲扁管换热器适宜使用于高 Pr 与较低 Re 的场合；同时，文献中还根据试验结果拟合了反映传热与流阻性能的准则公式，但是这些准则公式只适用于特定结构的螺旋扭曲扁管换热器，因此没有普遍应用价值。张杏祥[36]等则较全面地

螺旋折流板热交换器热固耦合传热数值模拟

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设计计算
文章编号：１０００７４６６（２０１８）０６００３１０６
螺旋折流板热交换器热固耦合传热数值模拟
刘峰，虞斌
（南京工业大学机械与动力工程学院，江苏南京２１１８００）
摘要：借助ＳｏｌｉｄＷｏｒｋｓ三维软件建立四分扇形螺旋折流板热交换器模型，然后导入ＡＮＳＹＳＷｏｒｋｂｅｎｃｈ，采用耦合传热的方法，对其进行流动和传热的数值模拟，分析了１０°、１５°和２０°不同螺旋角度热交换器在不同壳程流速下的换热性能，得到了壳程与管程的流场分布、压降以及温度变化情况。数值模拟结果表明，四分扇形螺旋折流板热交换器的壳程流体成近似螺旋状流动，流场分布较为均匀，基本上不存在流动死区；螺旋折流板热交换器壳程内的压降随着螺旋角度的增大而减小，随着壳程进口流速的增大而增大；其换热能力随着螺旋角度的增大而减小，随着壳程进口流速的增大而增大。关键词：螺旋折流板热交换器；四分扇形；耦合传热；有限元；数值模拟中图分类号：ＴＱ０５１．５；ＴＥ９６５文献标志码：Ａ犱狅犻：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１０００７４６６．２０１８．０６．００６
犖狌犿犲狉犻犮犪犾犛犻犿狌犾犪狋犻狅狀狅犳犎犲犾犻犮犪犾犅犪犳犳犾犲狊犎犲犪狋犈狓犮犺犪狀犵犲狉犜犺犲狉犿狅狊犲狋狋犻狀犵犆狅狌狆犾犲犱犎犲犪狋犜狉犪狀狊犳犲狉

螺旋折流板热交换器最佳结构与折流板加工新技术-陈亚平

对于热交换器的评价指标不宜只采用单位压降之壳侧传热系数或单位压降之总传热系数，而是应该同时将壳侧传热系数或总传热系数作为比较的指标。其原因是在强化传热的前提下，尽量降低压降的方案才是合理的，才能被用户所接受，否则就需要增加换热面积才能满足传热的要求。在方案优化时，选择较小的倾斜角，保持合理较高的流速，不仅有利于强化传热，而且也有利于降低制造加工折流板的难度。
·２·
石油化工设备２０１５年第４４卷
复杂性，特别是由于扇形折流板在热交换器内呈倾斜状布置，扇形折流板上的管孔和轮廓弧形边的表面与折流板平面的夹角并非是９０°直角，加工比较复杂，因而其应用迄今仍然没有广泛普及。檪檪殏Fra bibliotek檪檪殏
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第４４卷第１期石油化工设备Ｖｏｌ．４４Ｎｏ．１２０１５年１月ＰＥＴＲＯ－ＣＨＥＭＩＣＡＬＥＱＵＩＰＭＥＮＴＪａｎ．２０１５
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三螺旋折流板换热器多流路通道流动与传热数值模拟

三螺旋折流板换热器多流路通道流动与传热数值模拟段振亚;沈锋;张俊梅;宋晓敏;曹兴【摘要】为了增加大螺旋角下单位长度换热管上螺旋折流板数量提高换热,提出三螺旋折流板导流结构,对设置三螺旋折流板后壳程流体的流动与传热进行了数值模拟,重点考察了Reynolds数Re=1391～4174时的壳程压降及对流传热系数,与设置单螺旋折流板的对比结果表明:三螺旋折流板换热器壳程对流传热系数高27.9％,JF因子高13.67％,综合传热性能更好.在此基础上运用(火积)耗散理论分析了三螺旋折流板采取不同螺旋角时对换热效率的影响,发现由传热引起的(火积)耗散率随Reynolds数变化规律与壳程对流传热系数随Reynolds数的变化规律类似,相同流量条件下螺旋角为64.8°的换热器(火积)耗散率最小.另外,中心换热管与壳壁附近换热管的传热系数比较结果显示,中心管热交换量均低于壳壁附近换热管热交换量.%Triple helical baffle heat exchanger was proposed to arrange more helical baffle in shell side with large helix angle and enhance heat transfer rate.In this paper,the flow characteristics and heat transfer performance of heat exchangers with triple helical baffles were analyzed.The comprehensive performance between single-helical and triple-helical baffle heat exchangers were compared based on the calculating results of pressure drop and heat transfer coefficient when Reynolds number ranges from 1391-4174.The results showed that:heat transfer coefficient and JF factor of triple-helical baffle heat exchangers is 27.9％ higher and 13.67％00 higher than single-helical baffle heat exchanger respectively.Besides entransy dissipation theory was used to analyze the heat transfer performance of triple-helical baffle heat exchanger with different helixangle,and triple-helical baffle with 64.8° got the lowest entransy dissipation rate.The heat transfer rate of central tube and outer tube were compared,outer tube have higher heat transfer rate compared with central tube.【期刊名称】《化工学报》【年(卷),期】2016(067)0z1【总页数】7页(P232-238)【关键词】连续螺旋折流板;换热器;三螺旋;(火积)耗散;数值模拟【作者】段振亚;沈锋;张俊梅;宋晓敏;曹兴【作者单位】青岛科技大学机电工程学院,山东青岛266000;青岛科技大学机电工程学院,山东青岛266000;青岛科技大学机电工程学院,山东青岛266000;青岛科技大学机电工程学院,山东青岛266000;青岛科技大学机电工程学院,山东青岛266000【正文语种】中文【中图分类】TK124管壳式换热器具有耐高温高压、结构尺寸灵活、适应面宽和设计制造方法成熟、使用寿命长等优点，大量应用于发电、石油、化工等工业领域。

SCO2循环冷端印刷电路板式换热器动态特性实验研究

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原子能科学技术 ! ! 第!"卷
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管壳式换热器壳侧湍流流动与换热的三维数值模拟

管壳式换热器壳侧湍流流动与换热的三维数值模拟
邓斌;陶文铨
【期刊名称】《化工学报》
【年(卷),期】2004(55)7
【摘要】综合应用体积多孔度、表面渗透度和分布阻力方法建立了适用于准连续介质的N-S修正控制方程.用改进的k-ε模型考虑管束对湍流的产生和耗散的影响,用壁面函数法处理壳壁和折流板的壁面效应, 对一管壳式换热器的壳侧湍流流动与换热进行了三维数值模拟.对计算结果进行了归纳,并与换热器冷态实验、前人的研究结果进行了对比分析,从而证明了该方法能更有效地模拟管壳式换热器壳侧的流动特性,压降实验数据和计算结果符合良好.
【总页数】7页(P1053-1059)
【作者】邓斌;陶文铨
【作者单位】西安交通大学动力工程多相流国家实验室,能源与动力工程学院,陕西,西安,710049;西安交通大学动力工程多相流国家实验室,能源与动力工程学院,陕西,西安,710049
【正文语种】中文
【中图分类】TK124
【相关文献】
1.波纹翅片管换热器空气侧流动换热的三维数值模拟 [J], 曹先慧;马贵阳;王雷;姚尧;高艳波;莫海元;刘金彪
2.管壳式换热器壳侧湍流流动的数值模拟及实验研究 [J], 邓斌;陶文铨
3.螺旋槽管管内湍流流动与换热的三维数值模拟 [J], 李占锋;杨学忠
4.折流板换热器壳程湍流流动与换热的三维数值模拟 [J], 谢洪虎;江楠
5.百叶窗翅片管换热器空气侧流动换热的三维数值模拟 [J], 闫立林;周俊杰
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连续重整缠绕管式换热器的研制及工业应用

连续重整缠绕管式换热器的研制及工业应用陈崇刚【摘要】It was used in CCR appliance as the feed mixture heat exchanger the fully welded plate ?and -shell exchanger or straight vertical exchanger in the past, which caused either low heat transfer efficiency or damages for structural problems, correspondingly bringing about high cost and negative influence on long time operation. Spiral wound exchanger is introduced in the paper including its design, manufacturing research and industrial application with both advantages of the two former types, which is firstly utilized as a new type of feed mixture exchanger with great thermal performance, also can endure high temperature and pressure and resist operating variation and thus is an ideal and reliable device in CCR process.%过去连续重整装置的混合进料换热器都是采用全焊接板壳式或直管立式换热器,由于结构原因,一直存在传热效率低或易损坏的问题,使得装置操作费用高、影响长周期运行.介绍了一种兼具板壳式换热器和管壳式换热器优点的,在连续重整装置中首次采用的缠绕管式换热器,作为新型的混合进料换热器的设计、研制和应用情况.该设备具有优良的传热工艺性能,又具有耐高温高压、抗操作波动的特点,是连续重整装置中较为理想的高效、高可靠性的设备.【期刊名称】《压力容器》【年(卷),期】2011(028)005【总页数】7页(P41-47)【关键词】连续重整;缠绕管;换热器;研制;应用【作者】陈崇刚【作者单位】中国石化洛阳石油化工工程公司,河南洛阳,471003【正文语种】中文【中图分类】TQ051.5;TQ050.60 引言随着石油化工装置大型化、炼化一体化的发展，连续重整装置除了生产油品、产出氢气外，还担负着为乙烯和芳烃装置提供原料的任务，因此连续重整装置的稳定生产对企业经济效益的影响越来越重要。

基于Fluent的管壳式换热器壳程流体流动与传热数值模拟

基于Fluent的管壳式换热器壳程流体流动与传热数值模拟栾艳春;陈义胜;庞赟佶【摘要】The parameterized model of tube and shell heat exchanger is established according to the Fluent software parametric modeling method. The numerical simulation and calculation of fluid flow and heat transfer in the shell side of tube and shell heat exchanger is calculated so that the temperature fields and stress fields of the shell side fluid under the condition of different baffle plate gap heights and inlet flows are received. The results show that the optimal gap height of the heat exchanger appears on the performance curve under the gap height between 0.2D to 0.4D, based on which the improvement approach on the structure of the heat exchanger is given.%采用Fluent参数化建模方法建立了管壳式换热器的参数化模型. 利用Fluent软件,对管壳式换热器壳程流体的流动与传热进行了数值模拟计算, 得到了不同折流板缺口高度及入口流量情况下换热器壳程流体的温度场和压力场, 给出了缺口高度在0.2D~0.4D变化时换热器的性能曲线, 得到了最优缺口高度, 并对换热器的结构优化提出了改进措施.【期刊名称】《化工装备技术》【年(卷),期】2015(036)005【总页数】5页(P9-13)【关键词】管壳式换热器;折流板;壳程;流体;数值模拟;传热性能【作者】栾艳春;陈义胜;庞赟佶【作者单位】内蒙古科技大学能源与环境学院;内蒙古科技大学分析测试中心;内蒙古科技大学能源与环境学院;大连理工大学能源与动力学院【正文语种】中文【中图分类】TQ051.50 引言换热器是能源、石油、化工等行业广泛应用的工艺设备，它不仅可用于调节介质的温度，满足实际生产的需要，同时也可用于余热回收领域。

螺旋管内单相及沸腾的强化换热与阻力特性实验_李隆键

核动力工程Nuclear Power Engineering第26卷第1 期 2 0 0 5 年2月V ol. 26. No.1 Feb. 2 0 0 5文章编号：0258-0926(2005)01-0006-05螺旋管内单相及沸腾的强化换热与阻力特性实验李隆键，崔文智，辛明道（重庆大学动力工程学院，400044）摘要：实验研究了三维内肋螺旋管内单相及沸腾的强化换热与阻力性能。

单相对流换热实验采用光滑螺旋管和两种不同结构尺寸的三维内肋螺旋管。

与光滑螺旋管相比，在测试的流动范围内，两种三维内肋管的平均换热系数增加了71%和103%，平均阻力增加了90%和140%；曲率δ=0.0605、测试段长0.58m 的三维内微肋螺旋管内流动沸腾换热实验结果表明：在不同质量流速、热流密度工况下，三维内微肋螺旋管的平均换热系数比光滑螺旋管增加40%到120%，阻力增加18%到119%。

关键词：螺旋管；三维内肋；对流换热；沸腾换热中图分类号：TK124 文献标识码：A1 引言螺旋管换热器兼具管壳式换热器结构坚固、适应性强、选材范围广、易于制造、生产成本低等优点，被广泛用于制冷与空调、化工、医药等行业。

新型太阳能集热器以及核反应堆蒸汽发生器也采用螺旋管换热器。

研究结果显示，螺旋管内二次流对层流换热的强化效果比较显著，与直管相比，其层流换热强化比高达2~4倍，而湍流换热强化比仅有1.1~1.3 [1~3]。

依据应用对象的不同，螺旋管内换热过程既可以是单相的，也可以是两相的(沸腾或凝结)。

对于螺旋管内的沸腾传热，笔者的研究结果表明，螺旋管的传热系数仅较直管增加了5%~15%[4]。

较小的管内侧换热系数往往成为制约螺旋管换热器整体换热性能的薄弱环节，所以对螺旋管内单相和两相对流换热的强化研究十分必要。

然而，至今还未见任何采用扩展表面方式强化螺旋管内流动换热的有关研究报道。

本文用三维内肋螺旋管强化单相对流换热，用三维内微肋螺旋管强化流动沸腾换热，并实验研究了新型螺旋管内的换热与阻力特性，探索将三维内肋表面强化方法与离心力引起的二次流强化相结合的复合强化技术。

螺旋缠绕管换热器相变流动工艺计算软件开发及应用

螺旋缠绕管换热器相变流动工艺计算软件开发及应用0中国勵设备检测研碍鬻叱人蠱宇理丄大書艦与动力工程学院’上海2。

⑷［摘要］提出了一套完整的适用于螺旋缠绕管式换热器相变流动工艺计算模型，并将所建模型应用于具体传热工艺计算。

编写了缠绕管式换热器含相变流动工艺计算软件，介绍了软件设计思路特点并与手动计算方法设计的螺旋缠绕管式换热器进行了对比，两者工艺计算结果相吻合，设备运行安全可靠，完全满足工艺要求。

［关键词］螺旋缠绕管式换热器；计算模型；工艺软件［中图分类号］TH45； TP391.75 ［文献标识码］A ［文章编号］1007-1865(2019)02-0172-03Development and Application of Calculation Software for Phase Change Flow inSpiral Wound Tube Heat ExchangerLiang Lin 1, Yuan Yuyang 2, Zhang Qing 2Abstract: A complete set of phase change flow calculation model for spirally wound tube exchanger is presented.The model is applied to the calculation ofspecific heat transfer process.A software for calculating phase change flow in spirally wound tube exchanger is developed.This paper introduces the characteristics of the software design and compares it with the spiral-woundheatexchanger designed by the manual calculation method,theresultsagreewell.The operation of the equipment is safe and reliable, and fully meets the technological requirements.Keywords:spiral-woundheatexchanger ： calculationmodel ： processcalculation螺旋缠绕管换热器由于其结构紧凑、耐压性高、机组规模大、热补偿性能好、传热能力强能优点［宀，在天然气、石油化工领域有广泛的应用⑸。

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收稿日期:2006-06-05;　修订日期:2006-08-25基金项目:国防科技重点实验室基金资助项目(51482100204JW0801);国家教育部“新世纪优秀人才支持计划”基金资助项目(NCET-04-0938)作者简介:吴　峰(1978-),男,江西广丰人,西安交通大学博士研究生.

文章编号:1001-2060(2007)02-0190-07连续螺旋折流板管壳式换热器

动态特性研究及预测吴　峰,王秋旺,陈秋炀,谢公南(西安交通大学动力工程多相流国家重点实验室,陕西西安710049)

摘　要:建立了可进行壳管式换热器动态特性试验研究系统,通过试验研究的方法对水-油为换热工质的连续螺旋折流板管壳式换热器动态特性进行了试验研究,进口流量扰动为等百分比流量特性,研究了4种流量扰动方式下水和油出口温度的动态响应。同时研究了在一定Re数下,不同的流体扰动量对换热器进出口温升的影响,得到了换热器进出口温升与流体扰动量之间的关联式。实验表明,液液换热系统温度的动态响应时间比较长,研究发现在正负的流量扰动下,换热器进出口温度变化呈现线性变化,进出口温升在正负流量扰动下其变化曲线具有对称特征。分别建立了有限差分数值预测模型及人工神经网络模型对换热器油侧的出口温度进行了动态预测,预测结果与试验值符合良好,人工神经网络的预测结果要好于数值模拟预测,其偏差绝对值在1.3%以内,表明人工神经网络在进行复杂的系统辨识时具有一定的参考及应用价值。

关键词:壳管式换热器;连续螺旋折流板;动态特性;数值预测;人工神经网络;动态预测中图分类号:TK172 文献标识码:A

引　言在管壳式换热器中,螺旋折流板换热器由于其能够改善壳侧流动换热性能,在相同的压降下较弓形折流板换热器而言其壳侧换热系数较高而得到研究及应用[1～4];对于高粘度流体而言,其换热效果更加突

出[5]。目前所使用的螺旋折流板管壳式换热器的折

流板一般是由两块或四块扇形平板搭接而成,每两块扇形折流板之间一般存在三角区,存在严重的漏流问题,使得换热器壳侧的流动偏离真正的螺旋流动[6],

本文所使用的连续螺旋折流板换热器能够使得换热器壳侧的流动实现真正的螺旋流动,提高了换热效率[7]。而所有这些研究主要集中在换热器的稳态传

热特性上,换热器稳态设计过程揭示了流体在换热过

程中能量平衡关系和稳定的温度分布。但是这些都没有提供换热器动态行为方面的信息,对于一般的工业生产应用中,换热器总是与其它热力设备相互关联,这必然会影响到换热器运行过程中的一些热力参数,诸如换热工质的进口温度及流量的变化,换热器动态特性的研究对于换热器热过程的实时控制、状态计算、优化及合理利用是十分必要的。以水和油为换热工质的换热设备广泛地应用于化工、石油、冶炼及大型发电机的冷却技术中。本文通过实验研究的方法对连续螺旋折流板换热器在水油为换热工质系统中的动态特性进行了试验研究,应用人工神经网络技术进行了相应的预测,为相关换热设备的分析、设计及改进其控制系统提供依据。

图1　实验系统示意图1　试验系统所研究的系统以水油为换热工质,其中油走壳侧,为热流体;水走管侧,为冷流体。油的温升通过油箱中的电加热器通电加热完成,油箱中布置了8个电加热器,通过改变电加热器的通电个数能够实现导热油维持在不同的温度上。具体试验系统回路如图1

第22卷第2期2007年3月热能动力工程JOURNALOFENGINEERINGFORTHERMALENERGYANDPOWERVol.22,No.2Mar.,2007所示。试验系统采用LWZ-32型涡轮流量计测量,其测量精度为±2.5%以内,量程为0～20m3/h,时间常数为0.25s。采用铜-康铜热电偶进行温度采集,其量程为0～200℃,时间常数在0.5s以内。油侧压差测量采用3501差压变送器,量程为0～62.2kPa,信号为4～20mA(DC),精度为0.25%。试验中实现小流量扰动是通过控制回路智能阀门的开度来实现的,其产品型号为HYDT-2-40系列电子一体化电动调节阀,其介质工作压力为1.6MPa,工作介质温度为0～180℃,输入信号为4～20mA,流量特性为等百分比,其具体的变化规律用下式表示:d(Q/Qmax)/d(1/L)=K(Q/Qmax)(1)其中:Q—当前流量,m3/h;L—阀门最大行程,其值为25mm;K—比例常数。阀门的最大调节时间为120s。等百分比流量其特点为在小开度时调节阀的放大系数小,调节平稳缓和,在大开度时放大系数大,调节灵敏。其相对流量随时间的变化式为:Q/Qmax=2.5621+2.86×10-4τ-5.565×10-9τ2+8.229×10-14τ3(2)2　试验结果与讨论试验通过智能控制阀门的等百分比流量变化特性进行试验工况的流量扰动。首先通过改变换热器单侧流量来研究换热器两侧出口的温度响应变化规律,具体的试验工况如下:(1)水回路流量降低扰动时换热器的动态响应;(2)水回路流量升高扰动时换热器的动态响应;(3)油回路流量降低扰动时换热器的动态响应;(4)油回路流量升高扰动时换热器的动态响应。以上4种工况流量的变化量,油回路为0.37kg/s,水回路为0.755kg/s。试验雷诺数的变化范围为Re=3.9×103～3.7×104,传热单元数范围为

NTU=9.2～14.6,油的Pr=119.9～146.38,水的Pr=14～17.6。一般而言对于换热器动态特性的研究是建立在换热器稳态基础上的,因此对于换热器的动态特性试验而言,应当在换热器达到热平衡后施加各种扰动信号,以此测量换热器各个参数的动态响应特性。换热器的热平衡偏差计算方法如下:壳侧油放出的热量(热侧):Υo=qmo×cpo×(to1-to2)(3)

管侧水吸收的热量(冷侧):Υw=qmw×cpw×(tw2-tw1)(4)

传热量:Υm=(Υo+Υw)/2(5)

热平衡偏差:ε=(Υo-Υw)/Υm(6)

试验系统能够实现实时数据采集及相应各指标参数的实时计算显示,当热平衡偏差在小于7%范围内变动时,即可认为换热器系统达到了热平衡状态,施加流量扰动并保存试验数据。各种工况下换热器的动态响应情况如图2所示。由图2可知,对于以水-油为换热工质的换热系统有着较大的热惯性,在流量扰动下达到新的热平衡需要700s以上,且在流量扰动结束后,换热器出口温度变化有一定程度的滞后现象,最后达到新的平衡状态。此外流量扰动下水回路出口温度的稳定速度快于油出口温度,这主要是由于油的物性而决定的,一般而言,油的Pr数较液体金属及空气都高(Pr在102～103的量级),本文工质油的Pr范围在119.9～146.38。根据Pr的定义:

·191·第2期吴　峰,等:连续螺旋折流板管壳式换热器动态特性研究及预测图2　单侧流量扰动下换热器出口温度各种响应情况 Pr=v/α=cpη/λ(7)它表征热边界层与流动边界层的相对厚度。反映了流体中动量扩散与热量扩散能力的对比,Pr数越大,粘性的影响传递得越远,导热油的Pr数高于水一个数量级,因而油速度边界层的厚度要远大于热边界层,工质油的动量传递能力很弱,动量传递的能力低会进一步减弱流体的热量传递,在油的导热系数偏小于水导热系数的情况下,油的总体热量传递能力要远小于水,故油的温度响应稳定时间比水长。研究一侧流体流量不变,另一侧流体不同流体扰动量下换热器两股流体进出口温升的变化规律。保持油侧流量1.63kg/s不变,研究水侧流体在正负流体扰动量下换热器进出口温升的动态特性,定义流量增加为正扰动,流量降低为负扰动,其具体变化规律如图3所示。图3　水侧不同流量扰动量下换热器进出口温升响应情况由图可知,水流量的正负扰动对于换热器进出口温升的影响近似表现为线性变化,且随着流量扰

动量的增加,其温升也迅速增加,流量扰动影响最大的为油出口温升,影响最小的为水进口温升,分别对两股流体进出口温升变化规律进行线性拟合,得出各温升随流量扰动量的变化关联式: Δto2=0.0702-6.38ΔGw(8)

Δtw2=0.12013-4.32441ΔGw(9)Δto1=0.03482-5.14593ΔGw(10)

Δtw1=0.15803+0.6402ΔGw(11)

图4　油侧不同流量扰动量下换热器响应情况保持水侧流量不变,改变油侧流量扰动量,同样,流量降低扰动为负值,流量上升扰动为正值,换热器两股流体进出口温升变化曲线如图4所示。图4中各温升变化规律的曲线拟合关联式: Δto2=-0.12415+3.19271ΔGo(12)

Δtw2=0.11666+2.378ΔGo(13)Δto2=-378-9.26ΔGo(14)Δtw1=0.162+1.06ΔGo(15)

·192· 热能动力工程2007年由图4及拟合公式可知水进出口温升、油出口温升随着油流量扰动量的增加而增加,呈线性变化,而油进口温升变化趋势则相反。3　换热器动态特性的数值预测通过数值预测的方法预测连续螺旋折流板换热器的动态特性,本文试验所研究的连续螺旋折流板换热器的流程布置为两管程结构,其结构示意如图5所示。将连续螺旋折流板换热器的流动与换热等效为两个壳管式换热器的串联,即一个逆流式换热器及一个顺流式换热器的串联组合,换热器管侧流程前半部分可视为一个逆流式换热器,管侧流程后半部分视为一个顺流式换热器,这样就可以将逆流式换热器及顺流式换热器动态预测的数值计算程序结合起来,用于连续螺旋折流板换热器的两侧出口温度的动态预测。图5中t2,mid为管程流体两程之间转折时流体的平均温度。图5　1-2型连续螺旋折流板换热器示意图壳管式换热器的静态模型为对空间的常微分方程组,而其动态模型则为对时间和空间的偏微分方程组。为简化数值计算,现作如下假设:(1)通道内流体为不可压缩流体,通道内的流动与换热视为一维问题,进出口流体温度均一。(2)流体的所有热物性均为常数,考虑壁面蓄热作用。(3)考虑壳侧流体的纵向扩散及管壁的轴向导热。(4)通道外壁与外界绝热。对于单管程单壳程壳管式换热器而言,换热器两股流体、管壁及壳壁的能量控制方程表达式分别如下:壳程流体1:C1L t1 τ+W1 t1 l-Ac1D 2t1 l2+(hA)1L(t1-t2)+(hA)sL(t1-ts)=0(16)管程流体2:(-1)iW2 t2 l+C2L t2 τ+(hA)2L(t2-tw)=0(17)

管壁:CwL tw τ-KwAcw 2tw

l2-

(hA)1L(t1-tw)-(hA)2

L×

(t2-tw)=0(18)

壳壁:CsL ts τ-(hA)s

L(t

1-ts)=0(19)

式中:W1=u1cp1ρ1Ac1,W2=u2cp2ρ2A2,C1=ρ1Ac1

Lcp1,C2=ρ2Ac2Lcp2,Cw=ρwAcwLcpw,L—换热器总