[论文解读] Numerical studies of an eccentric tube-in-tube helically coiled heat exchanger for IHEP-ADS helium purification system

Jianqin Zhang, Shaopeng Li|arXiv (Cornell University)|Dec 30, 2014

Spacecraft and Cryogenic Technologies参考文献 11被引用 3

一句话总结

本研究通过数值方法研究了在20 MPa氦气条件下、具有温度依赖性物性参数的IHEP-ADS氦气纯化系统中，偏心管内管螺旋缠绕（TTHC）换热器的湍流流动与传热特性。结果表明，增加偏心度可显著提高环隙Nusselt数，从而为内流和环隙流分别建立了Nusselt数与雷诺数和偏心度的新型经验关联式。

ABSTRACT

The tube-in-tube helically coiled (TTHC) heat exchanger is preferred in the purifier of IHEP-ADS helium purification system. The position of an internal tube is usually eccentric in a TTHC heat exchanger in practice, while most TTHC heat exchangers in the literature studied are concentric. In this paper, TTHC heat exchangers with different eccentricity ratios are numerically studied for turbulent flow and heat transfer characteristics under different flow rates. The fluid considered is helium at the pressure of 20Mpa, with temperature dependent thermo-physical properties for the inner tube and the annulus. The inner Nusselt number between the concentric and eccentric TTHC heat exchangers are compared, so is the annulus Nusselt number. The results show that with the eccentricity increasing, the annulus Nusselt number increases substantially. According to the numerical data, new empirical correlations of Nusselt number as a function of Reynolds number and eccentricity for the inner tube and the annulus are presented in this paper. The TTHC heat exchanger of the purifier is designed under the given conditions.

研究动机与目标

• 分析偏心度对IHEP-ADS氦气纯化系统中使用的TTHC换热器内湍流流动与传热的影响。
• 在相同运行条件下，比较同心与偏心结构的传热性能差异。
• 为内流和环隙流的Nusselt数建立基于雷诺数和偏心度的经验关联式。
• 为高压氦气条件下氦气纯化系统中优化TTHC换热器的设计提供支持。

提出的方法

• 对具有不同偏心度比的螺旋缠绕TTHC换热器中的湍流流动与传热进行数值模拟。
• 在内管和环隙区域均采用20 MPa下氦气的温度依赖性热物性参数。
• 应用标准k-ε湍流模型以模拟湍流流动特性。
• 计算内流和环隙流的局部及平均Nusselt数，以评估传热性能。
• 系统性地改变流量和偏心度比，评估其对传热强化的影响。
• 基于数值数据推导出内管和环隙流中Nusselt数与雷诺数和偏心度的关系的经验关联式。

实验结果

研究问题

• RQ1 在TTHC换热器的环隙流区域，增加偏心度如何影响Nusselt数？
• RQ2 在相同流动条件下，偏心TTHC结构与同心结构相比，其相对传热性能如何？
• RQ3 雷诺数与偏心度如何共同影响内管和环隙流中的Nusselt数？
• RQ4 能否为高压氦气系统中的偏心TTHC换热器建立准确预测Nusselt数的经验关联式？

主要发现

• 增加偏心度可显著提升环隙Nusselt数，表明外流区域的传热性能得到增强。
• 随着偏心度增加，内管Nusselt数保持相对稳定，与环隙侧相比变化极小。
• 在中等至高雷诺数条件下，环隙Nusselt数随偏心度比的增加而显著提升。
• 为内管和环隙流分别推导出包含雷诺数和偏心度作为变量的Nusselt数新型经验关联式。
• 数值结果验证了在指定高压氦气条件下，TTHC换热器设计适用于IHEP-ADS氦气纯化系统。