翼型流道印刷板式换热器内超临界氮的流动与换热性能研究

发布时间：2020-08-09 20:54

【摘要】：印刷板式换热器(Printed circuit heat exchanger,PCHE)是一种高效紧凑的新型板式换热器,可用于体积受限的,高压或高热流密度等极端工况。此外,超临界压力流体具有良好的流动换热特性,它在工业领域中得到了广泛的应用。如今关于如何提高PCHE的流动换热特性以及其内部特征受到国内外学者的关注,但是目前国内以超临界流体应用于PCHE换热的研究十分少见。本文以超临界氮为工质,采用实验研究与数值模拟相结合的方法,对不同工况下及不同翼型翅片排列方式的翼型流道PCHE内的热工水力特性进行分析,探究翼型流道PCHE内较佳的流道结构与工况。因此,本研究对工程实际应用具有重要的意义。本文首先介绍了超临界流体及其特征,展示了超临界氮的物性图,并拟合了超临界氮的物性多项式函数。从质量流量、热流密度和压力等方面介绍了超临界流体的特殊的换热特性,其特殊的换热特性主要与其物性的剧烈变化有关。然后从计算流体动力学、FLUENT介绍、流动及换热的基本控制方程和数值模拟基本过程四个方面讲述了流动与换热的数值模拟理论基础,为下文的研究和分析提供了依据。本文通过实验研究了不同工况下翼型流道PCHE内超临界氮的流动与换热性能,首先介绍了实验系统及实验过程,具体包括:实验装置原理、实验步骤、测量元件与测量方法、实验误差与数据处理。实验中液氮的进口质量通量为203-228 kg/m~2s,进口压力为5-8 MPa,入口温度为103-121 K,通过整理实验数据,分析了不同质量流量、入口温度和热流密度对翼型PCHE出口温度和压降的影响。实验结果表明:在相同的进口压力下,出口温度随质量流量的增加而降低。在相同质量流量下,出口温度随着压力的增大而增大。当进口温度增大时,出口温度也逐渐升高,并且增加的幅度比较均匀。而且很明显,热流密度70 kw/m~2比66 kw/m~2的出口温度更高,出口温度增加约16.5℃。此外,在相同质量流量下,压降随运行压力的减小而增大。随着入口温度的增加,翼型PCHE流道的压降逐渐增大,并且压降增大的斜率越来越大。其次,采用数值模拟的方法对翼型流道PCHE内超临界氮的流动与换热特性进行研究,主要研究了质量通量、压力和入口温度对翼型流道PCHE流动与换热的影响。本章模拟的流道内的翼型翅片的结构和排列方式和实验是相同的,模拟工况的压力为5 MPa、6 MPa、7 MPa、8 MPa,质量通量为203-228 kg/m~2s,进口初始温度为103 K。主要对不同工况下超临界氮的对流换热系数、努谢尔特数和压降等方面的性能进行分析,并提出新的努谢尔特数和范宁摩擦因子的关联式。模拟结果显示,在相同的质量流量下,翼型PCHE的平均对流换热系数随着入口压力的增大而增大。随着压力的降低,努谢尔特数增加的斜率的拐点出现在较大雷诺数下。不同入口温度也会对超临界氮在翼型PCHE内的流动换热产生影响。考虑到综合传热性能,入口温度103 K比127K工况,不仅压力损失较小,而且具有较强的对流换热性能。在超临界压力工况下,Gnielinski和Dittuss-Boelter关联式未能准确地预测翼型流道内的努谢尔特数和范宁摩擦系数。本章提出了新的范宁摩擦系数与努谢尔特数的关联式,通过比较和验证,我们发现新的关联式预测的努谢尔特数和范宁摩擦系数与实验和数值模拟结果吻合较好。最后,采用数值模拟的方法对不同排列方式的翼型流道内超临界氮的热工水力特性进行研究,主要研究了不同垂直距离与交错距离的翼型流道的局部与整体换热性能。模拟工况的压力为6 MPa,质量通量为227.7 kg/m~2s,进口初始温度为103 K。主要从速度分布、压力分布、整体对流换热系数、努谢尔特数和压降等方面对不同翼型翅片排列方式的流道的流动特性进行分析,并通过综合性能评价指标(PEC)比较了各种流道的综合性能。模拟结果显示:当交错距离从L_s=0 mm增加到L_s=1.2 mm时,速度分布变得越来越均匀。不同翅片布置方式下流道内的流速沿流道的增大趋势相似,流速的增加趋势越来越陡。此外,压力降低的幅度沿流动方向逐渐增加。适当减小两排翅片之间的垂直距离和减小交错距离可以提高PCHE的对流换热能力。此外,翅片的完全交错排列以及适当增加两排翅片之间的垂直距离可以减少压力损失。与L_s=0.6 mm、L_v=1.25 mm,L_s=1.2 mm、L_v=1 mm,L_s=1.2 mm、L_v=0.8 mm的通道相比,L_s=1.2 mm、L_v=1.25 mm的通道的PEC值更高,尤其在雷诺数较低时,这种现象更明显。因此,通过完全交错布置以及适当减小翅片之间的垂直距离,可以提高翅片的综合传热性能。
【学位授予单位】：江苏科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TK172

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