印刷板式换热器内冷凝流动与换热特性分析与研究

发布时间：2020-08-10 10:55

【摘要】：印刷板式换热器(Printed circuit heat exchanger,PCHE)是一种高效紧凑、高度集成的微细通道板式换热器,已成功应用于LNG再气化项目,是浮式储存和再气化装置(FSRU)的核心设备。PCHE的芯体由许多微细通道组成,与传统大尺度通道相比,微细通道内的流体流动所受作用力不同,表现出不同的流动特性和转换机理。此外,两相流特性和流型对传热也有较大的影响,不同流型的传热情况不同。而目前大量的研究学者对PCHE进行了研究,但很少涉及两相流动。因此,对PCHE微细通道内的两相冷凝流动与换热特性的研究是有必要的,对强化换热、增强其换热效率有重要意义。本文采用模拟分析和实验研究相结合的方法,深入研究了制冷剂R22在PCHE热侧微细通道内的冷凝流动与传热性能。首先,通过实验的方法研究制冷剂R22在PCHE热侧微细通道中的压降与传热性能,设计并建立了以PCHE为核心设备的液氮-R22实验回路,根据实验需求测量了温度、压力、质量流量等参数并对测得的实验数据进行处理,定性研究了不同压力、不同进口温度、不同质量通量条件下R22在微细通道中的压降和对流传热系数。通过分析发现,在压力保持为0.65 MPa不变时,R22在通道内的压降和对流换热系数都随质量通量的增大而增大;在质量通量保持为10.52 kg m~(-2) s~(-1)不变时,R22在较低压力下,压降和对流换热系数都相对较高。通过R22在不同条件下热物性参数的变化对所发现的压降和对流换热系数的变化规律进行了分析。另外,利用实验数据与现有的压降和换热的准则关联式进行比较,对现有的关联式进行了评价分析。其次,由于实验工况具有多变性,无法完全对每个工况点的影响变量进行控制,使得R22在流道中的压降和换热特性只能呈现出大致趋势,没有明显的规律性,且不同的工况下R22在流道中的冷凝速度及流型有所不同,但是实验研究中无法直观地显示出通道的内部流动信息,所以基于实验所用的PCHE,建立其热侧微细通道的简化模型,通过数值仿真对R22在通道内的流动状况及换热特性进行深入的探索。首先,通过两相云图对R22在通道内的冷凝流动规律及流型进行了探索,发现在冷凝过程中,液相首先出现在通道上下壁面相交的尖角处,然后沿表面向中间延伸。在不同制冷剂质量通量下发现了光滑环状流、波状环状流、柱塞流和泡状流,并绘制成流型图。其次,对不同入口干度、不同质量通量下的局部对流换热系数和压力沿着流道的变化进行了深入研究,发现对流换热系数随入口蒸汽干度的降低而增大,而流动压降随入口干度的变化不规律,通过综合分析得出,在进口干度为0.7时,传热性能最优。局部换热系数和压降随R22质量通量的增大而增大,在相同质量通量下,换热系数沿流动方向增加,表明间歇流增强了传热。最后,针对本研究建立了新的局部努谢尔特数和范宁摩擦因子的准则关联式,并利用模拟数据验证了所提出的关联式具有良好的预测性。最后,利用所建立的模型对实验工况进行数值仿真,通过实验结果与仿真结果的比较,分析了实验与仿真之间的差异,并通过冷凝流动情况从机理上深入考察了压力和质量通量对努塞尔特数以及摩擦压降梯度的影响。发现仿真Nu值均高于实验Nu值,这可归因于实验计算过程中所产生的误差。实验摩擦压降梯度值高于仿真值,由于数值模型的理想化,且在计算实验摩擦压降时忽略了进出口压降。从冷凝流态方面分析了变化趋势,Nu随着质量通量的增大而增大,由于在较低的质量通量下,R22冷凝更快,甚至过冷,而R22在高质量通量下始终处于两相流状态。摩擦压降梯度随着质量通量的增大而增大,可以看到随着质量通量的增加,冷凝流态从间歇流变为环状流。在较低的压力下,Nu和摩擦压降梯度值较高,由于在较低压力下,完全冷凝的位置更接近出口,相变换热更充分,而且气液之间的速度差随着压力的降低而升高。
【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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