超临界LNG在印刷板式换热器内流动与换热特性数值仿真研究

发布时间：2020-10-30 03:20

　　 印刷板式换热器(printed circuit heat exchanger,PCHE)具有紧凑度高,换热面积大,耐高压低温等优点,是一种较为有前景的板式换热器。由于具有较高的紧凑性从而具有较小的体积,作为汽化器特别适用于高压条件下的有限体积的气化过程。PCHE的通道形状一般有直通道、Z型通道、通道中带有间断的S型翅片及翼型翅片四种流道结构。其中Z型通道由于相对简单的制造工艺和较低的制造维护成本,是应用最广泛的通道形状之一。然而相比于直通道,Z型通道的传热强化是以压降增大为代价的。因此深入研究Z型通道,在提高换热性能的同时压降增加较少是很有意义的。本课题主要研究超临界LNG在Z型PCHE通道中流动与换热特性。采用CFD数值仿真的方法,对超临界LNG在通道内的流动与换热特性进行数值仿真研究。首先使用Fluent软件,采用SSTκ-ω湍流模型对超临界LNG在直通道与Z型通道的PCHE中的换热特性进行数值仿真研究。模拟计算过程中,将超临界LNG的热物性拟合成温度的多项式函数,采用分段多项式方法将超临界LNG在6.5-10 MPa范围内的热物性关联到Fluent软件中。分析讨论PCHE通道的角度(0-45°)、入口的质量流量207.2kg/(m~2·K)-621.6 kg/(m~2·K)和操作压力6.5-10 MPa条件下对超临界LNG的对流换热系数和压降的影响。利用无量纲参数努塞尔特数(Nu)和欧拉数(Eu)、范宁摩擦系数(f)来评价超临界LNG的传热性能和压降性能。通过考虑传热特性和压降特性,提出Nu/Eu和性能评价指标(performance evaluation criterion,PEC)来评估综合换热性能以寻找更好的弯曲角度和工况条件。当质量流量变化范围从207.2 kg/(m~2·K)增长到621.6 kg/(m~2·K)时,弯曲角度小于15°时超临界LNG具有较好的综合传热性能;当质量流量大于414.4 kg/(m~2·K)时,超临界LNG在弯曲角度为10°以及更小的角度时的换热性能比15°更好。另外,超临界LNG在较高的质量流量和较低的操作压力条件下有较佳的传热性能。为了提高Z型通道的换热性能和降低压降,从而提高PCHE的综合换热性能,基于45°的Z型通道的研究基础,提出了两种新型形状的PCHE通道,即Z型通道中插入不同长度的直通道,以及带有弧度的Z型通道,对其数值仿真研究并与传统的Z型通道进行了比较。在质量流量为207.2-621.6 kg/(m~2·K)条件下,分析比较了超临界LNG在Z型通道、Z型通道中插入1-5 mm的直通道,以及带有弧度的Z型通道的局部和总压降及换热特性。采用Nu/Eu和PEC来对插入直通道的Z型通道和带有弧度的Z型通道的总换热性能与Z型通道进行比较。根据传热和压降性能,超临界LNG在插入直通道的Z型通道和带有弧度的Z型通道的综合换热性能比在Z型通道中好,并且在低质量流量下更佳。另外,超临界LNG在插入3-5 mm直通道的Z型通道具有最好的综合换热性能。
【学位单位】：江苏科技大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：TU83
【文章目录】：
摘要
Abstract
第1章 绪论
    1.1 课题的背景及研究意义
    1.2 印刷板式换热器的研究现状
        1.2.1 流道形状及结构对PCHE流动与换热特性影响研究进展
        1.2.2 工作介质对PCHE流动与换热特性影响研究进展
    1.3 本文的创新点
    1.4 本文的主要工作
第2章 理论分析与数值模型建立
    2.1 换热理论研究
        2.1.1 微细通道内的传热特性
        2.1.2 换热器性能评价标准
    2.2 计算流体动力学
    2.3 超临界LNG热物性变化规律
        2.3.1 超临界流体传热分析
        2.3.2 超临界LNG的热物性
    2.4 数学方程
        2.4.1 基本控制方程
        2.4.2 湍流模型
    2.5 离散格式和收敛方案
    2.6 数值仿真数据处理方法
    2.7 本章小结
第3章 超临界LNG在 Z型通道PCHE中传热特性数值仿真研究
    3.1 物理模型的建立
    3.2 边界条件的设置
    3.3 网格独立性验证
    3.4 数值模型准确性验证
    3.5 不同通道弯曲角度和工况对超临界LNG换热性能的影响
        3.5.1 Z型通道的弯曲角度对超临界LNG的换热性能的影响
        3.5.2 质量流量对超临界LNG换热性能的影响
        3.5.3 压力对超临界LNG换热性能的影响
    3.6 本章小结
第4章 超临界LNG在新型形状的通道内换热特性的数值仿真研究
    4.1 几何模型建立
    4.2 边界条件和网格独立性验证
    4.3 数值模型准确性验证
    4.4 新型通道形状对超临界LNG换热性能的影响
        4.4.1 超临界LNG在通道内的局部换热性能分析
        4.4.2 超临界LNG在通道内的平均换热性能分析
    4.5 本章小结
第5章 总结与展望
    5.1 总结
    5.2 展望
参考文献
攻读硕士学位期间发表的论文与专利
致谢

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本文编号：2861906