内燃机余热回收烟气换热器强化方法探索

发布时间：2020-05-13 14:55

【摘要】：内燃机在运行时只能将30-45%的燃烧能量转化为机械功,其余能量通过排气和冷却水释放到外界环境中,造成大量能源浪费。其中,内燃机排气由于温度高、品位大等特点,具有巨大的余热回收潜力。热力循环技术在内燃机余热回收领域具有广泛应用。在热力循环中,烟气换热器的性能直接影响着循环的热效率。而在一般情况下,烟气侧的换热效率要远低于工质侧。因此,对烟气换热器的烟气侧进行强化换热研究具有重要意义。本文采用金属泡沫材料对烟气换热器的烟气侧进行强化换热。首先,建立金属泡沫包覆单管的数值模型并进行模型验证。基于此模型进行CFD计算,采用Darcy-Forchheimer-Brinkman动量方程及非热平衡能量方程。通过对泡沫结构参数及其它参数的探究,分析了强制对流条件下金属泡沫包覆单管的流动及换热特性。结果表明,在泡沫管尾部会产生形态不同的回流区,且湍流强度越大,回流区越长;在雷诺数为1000-6000时,泡沫管的平均努塞尔数约为光管的10-18倍。本文在单管基础上开展金属泡沫包覆管排的模拟研究,建立数值模型并进行CFD计算。分析了管排布置方式、泡沫层厚度、管间节距等对传热及压降性能的影响,采用j/f~(1/2)作为综合性能的评价指标。结果表明,在各个流速下,错排布置的综合性能都高于顺排布置,且泡沫层无量纲厚度为0.15时管排综合性能最优;同时考虑综合性能及紧凑性,纵向节距为4D时的金属泡沫管排为最佳设计。本文对课题组CO_2动力循环试验台架中的套管式烟气换热器进行数值仿真,并利用实验数据对模型进行验证。在该换热器基础上设计金属泡沫换热器,建立模型并进行CFD计算。出于部件小型化考虑,对该金属泡沫换热器进行优化,将换热管排数由九排缩减至三排。结果表明:在同一工况下,该小型化金属泡沫换热器换热量约为53.71kW,压降约为9.53kPa;原套管式换热器换热量约为45.39kW,压降约为8.82kPa。在压降允许的条件下,该小型化金属泡沫换热器可同时提高换热量并减小尺寸,体积约为原套管式烟气换热器的1/3。
【图文】：

第一章 绪 论材料特性研究现状是一种以金属或金属合金为骨架，内部含有大量三维多孔材料的一种[22]。金属泡沫按孔胞结构可分为开孔开孔金属泡沫孔胞之间相互贯通，闭孔金属泡沫孔胞 1-2 所示为金属泡沫的显微结构。

图 1-3 应用在不同领域的金属泡沫材料Figure 1-3 Metal foams in various application areas沫密度小、强度高、硬度大且抗疲劳、蠕变及断裂，具有性好、比表面积可达 8000m2/m3，可大幅度增加单位体积高，可使热量扩散加快；对流体扰动十分强烈，，可增大湍层，促进金属骨架与流体间的局部对流换热[24]。金属泡沫4
【学位授予单位】：天津大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TK401

【参考文献】

相关期刊论文 前2条

1 张新铭;凌娅;谷沁洋;;多孔石墨泡沫材料内流动阻力的扩展Ergun方程[J];材料导报;2012年04期

2 朱剑明;;世界能源现状与内燃机节能减排的战略意义[J];企业研究;2010年07期

本文编号：2662125