烟气源热泵系统开发及绕管式冷凝器研究

发布时间：2017-10-30 05:01

  本文关键词：烟气源热泵系统开发及绕管式冷凝器研究

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【摘要】：天然气作为一种清洁能源被越来越多的行业所利用,特别是在锅炉行业,燃气锅炉正在逐渐替代煤粉锅炉。但是燃气锅炉的排烟温度较高,直接排放到大气中造成能源浪费和热污染问题。为降低燃气锅炉排烟温度,回收烟气余热,本文借鉴空气源热泵的原理,开发了一套烟气源热泵系统,并对系统中绕管式冷凝器进行数值模拟和实验研究。完成的主要工作及结论如下:(1)针对1T/h燃气热水锅炉的排烟,通过热力计算设计了烟气源热泵系统中的四个关键设备,理论计算结果显示,锅炉烟气温度从80℃降低到50℃,可回收烟气中的总热量39kW,每小时能够将1997Kg的50℃的回水加热到70℃,且烟气源热泵系统的COP达到4.8。(2)以水为换热流体,建立不同管径(6mmd014mm)、不同层间距(2mmS24.5mm)和不同轴向间距(2mmZ14mm)的绕管式冷凝器模型,应用Fluent软件在Re=8000~20000范围内对绕管式冷凝器壳侧流体的换热及流动状况进行了数值模拟,模拟结果表明:在6mmd014mm的范围内,相同条件下管径越小壳侧流体的Nu越大,最小管径换热器的Nu数比最大管径提高46~51%,换热器的强化换热综合评价因子PEC在d0=6mm时达到最大值。在2mmS24.5mm的范围内,相同条件下层间距越小壳侧流体的Nu越大,最小层间距换热器壳侧流体流动的Nu比最大层间距提高1.6~2.3%,PEC在S2=3.5mm时达到极大值。在轴向间距2mmZ14mm的范围内,相同条件下轴向间距越大,壳侧流体的Nu数越大,最大轴向间距换热器的Nu比最小轴向间距提高46~51%,PEC在Z=14mm时达到极大值。(3)搭建了绕管式冷凝器性能测试台,对Y型和K型绕管式冷凝器的换热性能进行测试。结果表明:壳侧水在Re=2800~13000的条件下,Y型绕管式冷凝器的传热系数比K型高3.4%~17.9%,压降比K型小9.8%~61%,阻力系数比K型小9.8~61%,换热系数比K型高8.7~11.6%,Y型冷凝器的PEC值大于1,所以说Y型绕管冷凝器的综合性能更好。
【关键词】：燃气锅炉 烟气源热泵系统 绕管式冷凝器 强化换热 数值模拟
【学位授予单位】：郑州大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TK229.8;TK115
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-10
• 符号说明10-11
• 1 绪论11-21
• 1.1 课题研究背景及意义11-13
• 1.1.1 课题研究背景11
• 1.1.2 课题研究意义11-12
• 1.1.3 燃气锅炉烟气余热利用技术12-13
• 1.2 热泵系统的研究现状13-17
• 1.2.1 热泵系统技术简介13-15
• 1.2.2 空气源热泵系统研究现状15-16
• 1.2.3 烟气源热泵系统研究现状16-17
• 1.3 绕管式换热器研究现状17-20
• 1.3.1 绕管式换热器壳侧研究现状18
• 1.3.2 绕管式换热器管侧研究现状18-20
• 1.4 本文研究的主要内容20-21
• 2 烟气源热泵系统开发21-38
• 2.1 燃气锅炉烟气的余热量计算21-25
• 2.1.1 天然气的消耗率21-22
• 2.1.2 燃烧所需的空气量及生成的烟气量22-23
• 2.1.3 烟气的露点23-24
• 2.1.4 烟气中水蒸气的冷凝率24
• 2.1.5 烟气余热量计算24-25
• 2.2 烟气源热泵系统的热力计算25-27
• 2.2.1 热力循环参数确定25-27
• 2.2.2 热泵循环过程的的热力计算27
• 2.3 烟气源热泵系统设计27-38
• 2.3.1 热管蒸发器的设计计算29-34
• 2.3.2 压缩机选型34-35
• 2.3.3 绕管式冷凝器的设计计算35-38
• 3 绕管式冷凝器壳侧数值模拟的模型建立38-45
• 3.1 物理模型38-39
• 3.2 几何模型39
• 3.3 数学模型39-40
• 3.4 边界条件类型40-41
• 3.4.1 进口边界条件40-41
• 3.4.2 出口边界条件41
• 3.4.3 壁面边界条件41
• 3.5 其他设置41-43
• 3.5.1 模型假设41-42
• 3.5.2 流体物性42
• 3.5.3 算法及精度42
• 3.5.4 网格无关性考核42
• 3.5.5 湍流模型的考核42-43
• 3.6 数据处理43-45
• 4 数值模拟结果及分析45-64
• 4.1 不同管径绕管式冷凝器壳侧流体流动及换热状况45-52
• 4.1.1 几何模型45
• 4.1.2 数值模拟结果及分析45-52
• 4.2 不同层间距绕管式冷凝器壳侧流体流动及换热状况52-58
• 4.2.1 几何模型52-53
• 4.2.2 数值模拟结果及分析53-58
• 4.3 不同轴向间距绕管式冷凝器壳侧流体流动及换热状况58-64
• 4.3.1 几何模型58-59
• 4.3.2 数值模拟结果及分析59-64
• 5 绕管式冷凝器的实验与数值模拟研究64-74
• 5.1 实验目的64
• 5.2 实验原理及装置64-66
• 5.2.1 实验原理64-65
• 5.2.2 实验装置65-66
• 5.3 实验流程66-67
• 5.4 实验数据处理67-68
• 5.5 实验结果分析68-70
• 5.6 K型绕管式冷凝器模拟验证研究70-74
• 5.6.1 K型绕管式冷凝器几何模型70-71
• 5.6.2 K型绕管式冷凝器网格划分71
• 5.6.3 数值模拟相关设置71-72
• 5.6.4 数值模拟结果分析72-74
• 6 结论与展望74-76
• 6.1 结论74-75
• 6.2 展望75-76
• 参考文献76-79
• 个人简历、在学期间发表的学术论文与研究成果79-80
• 致谢80

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