印刷板式换热器强化换热理论分析与实验研究

发布时间：2018-12-18 05:35

【摘要】：印刷板式换热器(Printed circuit heat exchanger,PCHE)作为一种高效紧凑的新型微通道换热器在工业领域中逐渐得到重视和应用,因此如何提高PCHE的换热性自然能成为国内外众多学者的研究重点。其内部微细流道内的复杂对流换热过程是研究PCHE换热性能的关键,但是目前国内对该类换热器强化换热技术的研究十分缺乏。本文采用理论分析与实验研究相结合的方法,以超临界LNG为工作介质,对该介质在PCHE内不同流道形状以及不同几何结构的微细流道内的流动与换热特性进行了深入细致的分析与研究,探究PCHE流道内强化换热的方法。因此本课题的研究具有重要的理论和现实意义。本文首先以直径为1.5 mm且弯曲角度不同(θ=0°~45°)的半圆形微细流道为研究对象,运用数值分析技术手段研究了不同质量通量条件下的超临界LNG在微细流道内的流动与换热特性。研究参数包括各个工况对流换热过程中的工质的温度、速度、对流换热系数h、Nu数以及压降的变化。研究结果表明:与直流道相比,流道的周期性弯曲会使对流换热能力明显提高。在其他条件均一致的条件下,超临界LNG的对流换热能力随着流道弯曲角度的增加而增大,但同时也会带来压降不同程度的增加。通过综合比较对流换热系数和压降,发现超临界LNG在弯曲角度为15°的流道内具有较佳的综合流动与换热特性。而在流道弯曲角度不变的条件下,质量流量的增加虽然也会带来较大的压力损失,但是其对流换热能力的增加更占优势。因此在本文研究范围内,质量通量较大时,超临界LNG在不同弯曲角度的流道内表征出较好的综合流动换热特性。其次,研究了在传统PCHE流道内加入翼形翅片对其对流换热的强化作用。通过对比超临界LNG在水力直径相同的直流道和翼形翅片流道内的流动与换热性能可知,在相同质量流量条件下,直流道的Nu/Eu值远小于加入翼形翅片的流道。随着质量流量的变化,二者之间的差异最大可达到51.07%,最小为46.2%,说明在流道内加入翼形翅片可达到明显的强化换热效果。在此基础上还对超临界LNG在不同翼形翅片的布置形式的流道内的流动与换热特性进行了研究。计算结果显示,翅片交错布置更有利于传热的进行以及形成更均匀的流场,且翅片间的交错距离Ls越大工作介质的综合流动换热性能越好。此外,对流换热系数h随着翼形翅片间的垂直距离Lv的减小而增大,但是压降也随之大幅度增加。通过比较Nu与Eu的比值,发现翅片间的垂直距离Lv越大超临界LNG的综合换热能力越强。因此,超临界LNG在翼形翅片交错稀疏布置的流道内具有更好的流动与换热特性。最后,在理论分析和数值模拟的基础上,设计和搭建了以翼形PCHE为核心换热设备的低温高压汽化系统实验平台。考虑到LNG具有易燃易爆的物理性质,出于安全性等因素考虑,本实验系统选取超临界氮代替超临界LNG。实验结果表明:系统压力越小,超临界氮在翼形PCHE内的湍流强度越强,更有利于传热,但同时也会带来较大的压降。在不同的压力条件下,翼形PCHE的总传热系数在850~2600W/m2K范围内变化,且其传热效能最高可达98%左右,说明该换热器可在超高压超低温条件下正常运行且具有很好的换热性能。此外,在压力一定的条件下,超临界氮的质量通量越大,翼形PCHE的总传热系数U越大,说明大质量通量下该换热器的换热性能越好。
[Abstract]:......
【学位授予单位】：江苏科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TU83

【参考文献】