管内螺旋扰动交变流对流传热强化研究

发布时间：2020-06-26 14:04

【摘要】：强化换热器的性能可以有效提高能量转换装置的能量利用效率,减小换热器尺寸,提高设备的紧凑性。现阶段稳态单向流动下的强化换热技术发展已经非常成熟,但斯特林发动机和制冷机等多种能量转换装置内的工质处于往复交变流动状态,工质流动方向呈周期性变化,流体速度、压力、温度、密度等参数时刻变化,因此,基于稳态单向流动的强化换热结论不能直接应用于往复交变流动状态下的换热器设计。目前,关于往复交变流动状态下的强化换热研究还十分缺乏。本文通过三维数值模拟方法,建立了往复交变流动的物理和数学模型,通过边界条件的弦函数设置实现了流体速度和压力的时刻变化,并实现了工质流动方向的周期性逆转。将往复交变流动一个周期内每间隔30°相位角选取一个瞬态点,对12个瞬态点进行稳态单向流动数值模拟计算,比较瞬态模拟(基于往复交变流动)和稳态模拟(基于稳态单向流动)两种方法在换热与流动过程中的差异。研究发现瞬态模拟计算的某时刻的换热情况受此前一段时间内工质的流动与换热状态影响较大,工质的加速与减速运动对换热也有一定程度影响。相对于稳态模拟,瞬态模拟计算的加热管换热性能稍弱,压力消耗较大,平均速度相似,但速度空间分布差异较大。由于加热管进出口压差变化引起管内工质流速变化,进而引起管壁与工质的换热变化,因此,对于瞬态模拟,压差、速度、换热的变化分别早于、基本等于、晚于稳态模拟计算结果。研究了二头螺旋波纹管在往复交变流动状态下的强化换热性能,发现二头螺旋波纹管内的流体在螺旋流道的引导下产生了纵向旋流涡,增强了边界区域与核心区域流体的混合程度,换热效果显著提高。二头螺旋波纹管的吸热量明显高于光管,在本文研究的几何参数及工况下,两者平均相差561W,比值为1.36。强化管的流体出口温度比光管可提升160K,压力消耗比光管多430Pa,这相对于加热管内整体1.5?2.5MPa的压力而言,强化管的额外压耗代价很小,但是却获得了加热管出口较大的温升收益。提出周期内瞬态PEC取平均值和周期内参数平均值计算PEC两种方法评价了二头螺纹波纹管相对于光管的综合强化换热能力,计算结果分别为1.69和1.38。因此,二头螺旋波纹管在往复交变流动状态下具有很好的强化换热能力。工质受热膨胀是斯特林发动机内工质往复交变流动的驱动力之一,因此,加热器的性能对斯特林发动机至关重要。针对异型强化换热管加工困难、对高温高压的耐性减弱等问题,提出在斯特林发动机加热管内插入螺旋弹簧扰流元件的方法来提高其吸热性能。研究发现,内插螺旋弹簧强化加热管内存在纵向旋涡,旋涡的大小、数量以及空间分布随时间和空间位置不断变化。在本文研究的几何参数及工况范围内,Nu数、f和PEC值随着螺旋插入物高度h的增加和螺距p的减小而升高。与p相比,h对加热管内工质的流动与换热特性影响更加显著。相对于光管,内插螺旋弹簧强化加热管(p=24mm、h=1.8mm)在采用氢气、氦气、氮气和二氧化碳为工质时,PEC值分别为1.33、1.22、1.21和1.25;流体出口温度在进程阶段分别提高了68、64、57和63K,在回程阶段分别提高了32、34、40和51K;周期平均压力消耗分别增加了446、1256、7079和13320Pa。综合考虑安全性与强化换热的收益与代价,推荐采用氦气作为强化管的工质气体。工质受冷压缩是引起斯特林发动机内工质往复交变流动的另一驱动力。通过在斯特林发动机冷却管内插入变截距或等截距螺旋线圈的方法来增强其散热能力。研究表明,在本文研究的几何参数及工况范围内,螺旋线圈的螺距越小,冷却管出口流体平均温度越低;光管管径越小、管长越长,冷却管出口流体平均温度越低;在平均截距一定的情况下,变截距与等截距螺旋线圈对降低加热管出口流体温度的效果相差很小。在不同流动阶段,强化管的进出口流体平均温降是等尺寸光管的1.081?1.54倍。由于冷却管内插入螺旋线圈引起的额外的压力消耗不高于3956Pa。除了通过冷却管工质出口温度的降低幅度以外,另从冷却管尺寸减小的程度评价了强化冷却管的换热增强能力。为了达到与强化管相同的出口流体温度,在本文研究的工况下,当强化管内螺旋线圈的螺距为12.5mm时,在相同管径(5mm)下,光管所需的管长要比强化管增加一倍以上。在相同管长(180mm)下,光管所需的管径要比强化管缩小接近一半,导致光管数量需增加至强化管的3.7倍。因此内插螺旋线圈强化冷却管可以有效节约冷却管耗材,减小成本,提高斯特林发动机的紧凑性。
【学位授予单位】：华中科技大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TK172
【图文】：

中国能源,总量,数据源

1 绪论1.1 课题研究背景与意义改革开放 40 年以来，中国取得了令世界瞩目的成就，自 2011 年已经成为世界第二大经济体。但是，伴随着经济的快速增长，能源与环境问题日益突出，严重制约了中国的可持续发展。根据《中国统计年鉴 2018》，自 1978 年以来，中国的能源消耗总量逐年上升，尤其是近 20 年，上升速度飞快[1]。自 2009 年以来，中国已经成为世界上最大的能源消费国[2]。到 2017 年中国能源消耗总量达到 449000 万吨标准煤，其中煤炭、石油和天然气分别占 60.4%，18.8%和 7%[1]，如图 1-1 所示。由于富煤缺油少气‖的特点，中国已成为世界上最大的石油进口国和第二大天然气进口国。在可预见的未来，中国对能源的需求还会进一步增加。

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华中科技大学博士学位论文亿吨，占世界 CO2排放总量的 27.6%[4]，如图 1-2 所示。国际能源署的调查数据显示，2017 年全球化石燃料燃烧产生的 CO2年排放量中约三分之一来自中国。为减缓碳排放增长，中国提出在 2030 年单位国内生产总值（GDP）CO2排放比 2005 年减少60 65%[3]。化石燃料的过度消耗除了造成 CO2的大量排放，导致全球变暖以外，还会引发雾霾、酸雨、重金属污染等一系列环境问题。

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