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冷却器强化传热研究进展

冷却器的强化传热就是力求使冷却器在单位时间内,单位传热面积传递的热量达到最多。应用强化传热技术的目的是力图以最经济(体积小、重量轻、成本低)的冷却器来传递规定的热量|1,这就要求所研制的冷却器,尽可能地节省资金、能源和减少金属消耗及所占的空间。目前高效能管壳式冷却器的研究主要集中在强化管程和壳程2方面,且以实验研究方法为主。
1管程强化传热强化管壳式冷却器管程的传热,主要是通过增加流体湍流度、扩展传热面积和提高流体流速等方法实现,即在内表面加工凸肋或翅片结构、在管内加插入物以及提高流速。
  凸肋结构。这类传热元件主要是通过在传热管的内表面机械加工出凸肋,以增强流体的湍动强度,从而达到强化传热的目的。当前应用比较广泛的是螺旋槽管、横纹管和波纹管。螺旋槽管的内表面有螺旋槽凸肋,其外表面有螺旋槽。流体流经这些螺旋槽凸肋时产生扰动,减薄了管壁表面层流底层的厚度,提高了管程对流换热系数,同时螺旋槽凸肋能使部分顺壁面轴向流动的流体产生轴向漩涡而引起边界层分离,使传热热阻减小。螺旋槽管可用于强化管内单相流体的传热和相变传热123.横纹管的外壁上有沿轴向间隔的环形槽,内壁由于外壁环形槽向内扩展而出现对应的环状凸出,使沿内管壁流动的流体产生边界层分离流,促进了流体的紊流强度,增加了流体边界层的扰动,从而强化了管内的传热。
  它可用于管内单相及相变传热强化。在单相传热过程中,相同条件下,压降较螺旋槽管小141.波纹管的外形像糖葫芦一样,管内流体在低流速的情况下呈湍流状态,可用于管内单相流体的传热强化15.翅片结构。这类传热元件主要是在传热管内表面通过机械加工出内翅片,以增加传热管的传热面积,同时还能使流体在较低流速下达到紊流。目前主要有二维和三维内翅片管。它们也能显著地强化管内单相及相变传热1671.插入物。在低雷诺数或高粘度流体传热工况下,管内插件对强化气体、低雷诺数流体或高粘度流体的传热会起到较好的效果。管内插件的形式可大致分为3类:强化旋流,如纽带和半纽带形式;促进湍流,如螺旋线、片条、斜环片等形式;置换型强化器,包括静态混合器、交叉锯齿带、球形体等形式。但是采用管内插入物强化传热时,存在流动压降变大,易产生污垢等缺点。因此,这种方法研究的关键是要找出一种既可提高传热系数,而压强增加又不大的内插物18提高流体的流速法。提高流速实质就是增加流动湍流度,这种方法最为简单直观,但是流动压降与流速的平方成正比例的关系,因此采用流速的提高也是有限度的。
  壳程强化传热强化冷却器壳程传热的方法包括改变传热管外表面结构和管间支撑结构。传热管外表面的改变主要是在其外表面上加工出沟槽和翅片。
  管外传热强化。外表面有沟槽的传热管主要包括螺旋槽管和横纹管。螺旋槽管和横纹管对管外蒸汽冷凝,强化效果明显,主要机理是沟槽使液膜和气膜层产生旋流,破坏了气膜层的稳定。同时,冷凝液在槽内由于重力分力和表面张力作用在气液相界面剪切力的作用下使冷凝液迅速流向沟槽,从而减薄了液膜的边界层厚度1101.外翅片管能有效地扩展换热面积,均可用于单相及冷凝传热强化1111.管间支撑结构。传统的管壳式冷却器大多采用弓形隔板支撑,流体在壳程呈“Z”形流动,在隔板和管壁相连处存在流动死区,传热系数下降,压力的损失较大;在隔板与壳体或(和)管之间旁路流和泄漏流现象严重而降低流体的有效质量流速。为了克服以上缺点和改善流体在壳程的传热性能,出现了一些新的管间支撑结构。当前比较优越的管间支撑结构形式主要有折流杆、螺旋扁管自支撑和螺旋隔板。
  折流杆冷却器是一种以折流杆代替折流板的冷却器。每一折流杆单元主要包括支撑杆、折流环交叉支撑拉杆、分隔板和纵向滑动杆。支撑杆杆端均焊接在折流圆环上,折流杆组由4种不同布置方式的折流杆构成,并由支撑杆建立无阻碍的流道,形成以纵向为主的流通区,因而有良好的热力一水力性能。因壳程具有与管程流动基本相同的对流传热机理,加上支撑杆形成的涡流流动和折流环区的文丘里效应,所以热力性能优异;又因壳程不存在横向流通的阻力,也无来回流动的反向效应,故其壳程压降也较低。折流杆冷却器可应用于单相、沸腾和冷凝等各种另一种纵向流的螺旋扁管冷却器,由圆管轧制或椭圆管扭曲成具有一定导程的螺旋扁管组成,其壳程内相邻管长轴处的点接触支承管子。壳程流体受离心力作用而周期性改变流速和流动方向,加强了流体的轴向混合。同时,流体经过相邻管子的螺旋线接触点后形成脱离管壁的尾流,增加了流体自身强化传热。螺旋扁管冷却器也可应用于单相、沸腾和冷凝各种工况1131.纵向流型冷却器的缺点是因壳程流速的限制而影响传热性能的进一步提高,为此,ABB公司开发出了最为优越的螺旋隔板冷却器。其设计原理是:将圆截面的特制板安装在虚拟螺旋折流系统中,每块折流板占冷却器壳程中横剖面的1/4倾角朝向冷却器的轴线,与冷却器轴线保持一倾斜度,这种独特的设计避免了流体的流动死区和返混,大大的提高了冷却器的换热效率。螺旋隔板冷却器的主要优点是介质在壳体内连续平稳螺旋流动,避免了横向折流产生的严重压力损失;壳程内流体螺旋前进,在径向截面上产生速度梯度,形成径向湍流,使换热管表面滞留底层减薄,有利于提高膜传热系数;不存在死区,可减少污垢沉积。目前对螺旋隔板冷却器的传热性能的研究综合起来主要包括2个方面:流体动力学研究和传热与压降性能研究。
  流体动力学研究。王承阳等对螺旋隔板冷却器进行了冷态流动实验研究,在弓形隔板冷却器中观察到流体呈“Z形流动,碎屑在弓形隔板的根部打转,并有聚集成团的趋势,表明存在死区和返混;在螺旋隔板冷却器中清楚地观察到流场呈螺旋形,没有像弓形隔板那样明显的死区和返混混现象。
  同时,还对弓形隔板冷却器和螺旋隔板冷却器的压降进行了比较,结果发现在流量相同的条件下,螺旋隔板冷却器的总压降降低了20%左右|141.王树立等对30°35°40°42°45°和50°共6种螺旋角的冷却器进行流动特性实验,研究结果表明,随着螺旋角的减小,切向速度分量增大,脉动速度也相应增大,有利于换热,但螺旋角减小,流动损失也随之增加;流量增加使速度沿径向分布趋于均匀1151.DKRAL等对螺旋隔板冷却器的流体动力学研究结果显示,螺旋隔板冷却器的返混区和死区最小;此外,还研究了不同螺旋角的冷却器的换热效率与流阻的关系,结论是随着螺旋角的增大,特别是在25°~40°换热效能增加,在螺旋角为40°时,传热与流阻性能达到最优,超过这个角度则传热与流阻性能降低1161.传热与压降性能研究。陈世醒等对高粘度流体(重油一水换热)在螺旋隔板冷却器和普通弓形隔板冷却器的传热和流阻进行实验,研究结果表明,相同流量下螺旋隔板冷却器壳程的a/AP是普通弓形隔板冷却器的1.5倍左右|171.此外,张克铮的湍流度破坏了流体在管壁上的传热边界层从而Hshfg对低粘度流体体(水一水换热)的传热和流阻中试实验,研究结果表明,相同流量下螺旋隔板冷却器壳程的a/AP是普通弓形隔板冷却器的2 4倍左右I时,特别是螺旋角在25°~40°范围内,换热效率随着螺旋角的增加而增加,当超过40°时,换热效率迅速下降。同时,还对弓形隔板光滑管冷却器、弓形隔板低肋管冷却器以及螺旋隔板低肋管冷却器的传热和流阻性能进行对比实验。冷凝器实验结果表明,在相同的换热面积条件下,弓形隔板低肋管冷却器的换热量是弓形隔板光滑管冷却器的1. 5倍,而螺旋隔板低肋管冷却器的换热量是弓形隔板光滑管冷却器的1.63倍,弓形隔板低肋管冷却器和螺旋隔板低肋管冷却器的压降均是弓形隔板光滑管冷却器的1.49倍1191.张正国等对螺旋隔板花瓣管和螺旋隔板低肋管润滑油冷却器的传热和压降性能进行了实验研究和理论分析,结果表明,在相同油体积流量下,螺旋隔板花瓣管油冷却器的总传热系数比螺旋隔板低肋管油冷却器提高10%以上,同时压降也降低46%左右。相同油压降下,螺旋隔板花瓣管油冷却器的总传热系数是目前常用的普通弓形隔板光滑管润滑油冷却器的4~5倍1201. 3研究方向目前冷却器的传统研究主要是实验方法,但对新型管束支撑结构的冷却器进行实验研究时,用实验方法根本无法从微观上看到结构对流体流动和传热的影响。因此,虽然实验研究直观、真实、可靠,但受实验条件、实验模型、结构参数、测量精度、实验周期及费用等因素影响,冷却器性能的完善和新型结构的开发受到制约。详细准确地预测冷却器流体的流动和传热特性,对设计经济可靠的冷却器以及评价现有管壳式冷却器的性能十分必要。由于结构复杂的冷却器,流动和传热的影响因素很多,流动形态也很复杂,因而数值模拟的研究方法无疑为经济、安全地设计、评价和改造冷却器提供了一种强有力的手段。
在数值模拟过程中,为了省却科研工作者在计算方法、编程、前后处理等方面投入的重复、低效的劳动,以便将主要精力和智慧用于物理问题本身的探索上,国外已开发出PH(NICSFL:W3DA-SYS和FLENT等大型通用CF软件,这些软件之理工具,能够很好解决一维、二维、三维及层流或湍流、单相或多相、稳态或瞬态的传热和流体流动问题,对每一种物理问题的流动特点,都有适合它的数值解法,用户可对显式或隐式差分格式进行选择,以期在计算速度、稳定性和精度等方面达到最佳。
  运用CID技术对管壳式冷却器的壳程流场和温度场进行计算机模拟不仅可节省大量的实验操作和费用,模拟的结果还可指导实验,并且可完成实验尚不能完成的流场和温度场分析,从而为壳程结构的优化设计提供依据。

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