基于特殊介质的高效换热器流动传热特性研究

发布时间：2020-08-14 06:32

【摘要】：随着我国能源短缺和环境污染的加剧,如何提高能源利用率,减少能量在传递过程中的换热损失已成为解决当今社会能源需求和传统化石燃料对环境污染等问题的重要举措。在先进核能和工业余热利用等领域,各种形式的换热器对提高能源利用率起到了至关重要的作用。但是随着能源的枯竭,可利用热源的品质越来越低,换热允许温差也越来越小,这就对换热器的性能提出了更高的要求。因此,现阶段高耗能领域使用的换热器不再拘泥于只采用常规流体(如水和空气等)作为工质进行换热,而是寻求更加特殊的介质以提高换热效率,适应工程需要,特别是满足使用过程中苛刻环境条件的要求,这就使得对基于特殊介质的高效换热器研究显得尤为重要。基于上述背景,本文针对以低普朗特数液态铅铋合金(LBE)和复杂高温烟气为工质的换热器的热工水力特性开展了大量的数值模拟和实验研究等工作,对换热器内液态LBE以及复杂高温烟气的流动传热特性进行了深入分析,发展了适用于这两种高效换热器的数值计算方法,搭建了相关换热器的流动传热实验平台。着重探究了重力效应、换热器结构、二次流强度以及实验运行参数等因素对换热器性能的影响规律,获得了压降和传热的经验关联式,为特殊介质换热器的优化设计奠定了基础。在液态LBE换热器数值模拟方面,选择了适用于液态LBE的湍流普朗特数模型和热物性表达式,结合湍流大涡模拟方法,获得了不同Re数条件下圆管内液态LBE的强制对流换热特性。进一步揭示了重力效应对不同倾斜角和长径比圆管内液态LBE混合对流传热特性的影响规律,发现影响圆管内液态LBE对流传热的主要因素是圆管的倾斜角,而非长径比。构建了液态LBE-氦气换热器的三维全尺寸模型,掌握了多尺度模型和网格划分技术,获得了主换热器内工质的耦合换热特性,提出了适用于液态LBE换热器的压降和传热经验关联式。同时,通过考察重力效应对主换热器压降和传热性能的影响规律,给出了实验平台上换热器合理的设计倾斜角度。实验方面,设计搭建了液态LBE-氦气流动换热综合实验平台,对液态LBE主换热器的热工水力性能进行了大量实验研究。通过开展氮气实验预研,液态LBE和氦气变流量、变温实验以及压缩机骤停等瞬态实验研究,获得了极端条件下液态LBE-氦气换热器传热性能的变化规律与强化传热有效方法。在以复杂高温烟气为工质的主表面式换热器数值模拟方面,创新地提出了半壁厚多周期性边界条件,构建了 CW型回热器数值模拟的三维流-固耦合换热模型,掌握了结构化和非结构化网格之间的块划分技术。通过数值模拟,揭示了不同边界条件和结构参数对回热器热工水力性能的影响规律,验证了工质压降在回热器综合性能中占据重要位置,在对回热器进行优化设计时,必须考虑压降和传热的综合影响。进一步探究了 CW型回热器流向振幅对工质流动中产生的二次流强度和热工水力特性的影响规律,发现在回热器内部的转向区,工质产生的二次流会更为明显,且流向振幅的增加会进一步引起二次流的增强,进而强化回热器的换热性能,但同时也引起了回热器压损的增加。根据大量的数值模拟结果提出了适用于CW型回热器的压降和传热关联式,并获得了回热器内二次流强度与传热Nu数之间的定量关系式。在实验方面,设计了 CW型回热器流动换热实验平台,完成了核心实验部件的选型,给出了实验操作流程和相关研究方案。本文采用CFD数值模拟和实验研究相结合的手段,对基于特殊介质的高效换热器的流动传热特性进行了深入研究,掌握了边界条件和结构参数等因素对换热器热工水力特性的影响规律,提出了能够准确预测换热器传热和压降的经验关联式,为发展特殊介质的高效换热器奠定理论基础,为提高能源的利用效率做出了一定的贡献。
【学位授予单位】：中国科学院大学(中国科学院工程热物理研究所)
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TK172
【图文】：

特殊的气态换热介质。同时，为了保证微型燃气轮机发电系统具有较高的布局灵逡逑活性、环境适应性以及安全可靠性等，主表面式换热器均采用特殊的制造材料以逡逑及高效紧凑式换热结构，这就使得其成为了集换热介质种类特殊、换热结构复杂逡逑等特性于一体的高温换热器。因此，研究复杂高温烟气在主表面式换热器中的流逡逑动和传热特性，获得准确的传热和压降关联式，对加快微型燃气轮机的发展，提逡逑高能源的利用效率也具有十分重要的作用。逡逑本文紧紧围绕提高换热设备能量利用效率问题，对采用特殊介质作为工质的逡逑高效紧凑式换热器的流动传热特性进行研究，分别以低Ｐｒ数液态ＬＢＥ换热器和逡逑基于复杂高温烟气为换热工质的主表面式换热器作为研宄对象，依托高性能计算逡逑服务平台和液态重金属综合换热实验平台，结合ＣＦＤ数值模拟和实验研究等手逡逑段，探宄换热器内部特殊的液态ＬＢＥ工质以及气态复杂高温烟气工质的流动和逡逑传热特性，研宄重力效应、边界条件、换热器结构以及实验运行参数等因素对工逡逑质热工水力特性的影响规律，获得准确的压降和传热关联式，以期对相关换热器逡逑的优化设计提供指导，为发展特殊介质高效换热器提供支撑，对提高能源的利用逡逑效率做出一定的贡献。逡逑铉质子加速器ｅ逦ｆ逦＾逡逑，二：二二－．；＾．—ｒ－逦：逦＿逦燃烧室逡逑

逡逑图１．２所示为ＴＡＬＬ换热实验平台的流程图和全景图。整个实验台包含主回逡逑路（即液态ＬＢＥ回路）和二回路冷却系统（即甘油回路）两个部分，高度为６．８逡逑ｍ，总功率５５邋ｋＷ。液态ＬＢＥ回路最高温度５００°Ｃ，最大自然对流速度为５０邋ｃｍ／ｓ，逡逑且换热器内部最大温差１５０°Ｃ。实验台顶部压力大约为ｌｂａｉ？，底部压力则将近８逡逑ｂａｒ。实验用液态ＬＢＥ由４５％的金属铅和５５％的金属铋组成，同时为了保证实验逡逑结果的准确性，整个主回路配备了液态重金属氧控系统。逡逑ｉＲｔ枈喔雪ＰＳ逡逑ｔｔｆｅ靡：逡逑⑷ＴＡＩN实验台流程示意图逦（ｂ）邋ＴＡＬＬ实验台全景图逡逑图１．２邋ＴＡＬＬ实验台流程示意图及全景图［６］逡逑Ｆｉｇｕｒｅ邋１．２邋Ｆｌｏｗ邋ｄｉａｇｒａｍ邋ａｎｄ邋ｇｅｎｅｒａｌ邋ｖｉｅｗ邋ｏｆ邋ｔｈｅ邋ＴＡＬＬ邋ｆａｃｉｌｉｔｙ１６１逡逑Ｍａ等［６］在实验台上进行了回路失流事故、泵断电事故、加热器故障、主功率逡逑过载、过度冷却、启动和停机等瞬态实验研究，并用ＴＲＡＣ／ＡＡＡ程序对上述工况逡逑进行了数值模拟。他们发现，液态ＬＢＥ具有良好的自然循环特性和较高的安全性逡逑能。？＾等［２３］还开展了液态重金属自然循环及其稳定性的实验研究

开发以及氧浓度控制等三个方面展开。而为了对液态ＬＢＥ的流动传热特性进行研逡逑宄，ＫＡＬＬＡ搭建了三个具有代表性的实验回路，分别为ＴＨＥＳＹＳ回路、ＴＨＥＡＤＥＳ逡逑回路和ＣＯＲＲＩＤＡ回路。图１．３所示为ＴＨＥＳＹＳ实验回路的流程和实物图。ＴＨＥＳＹＳ逡逑回路最高温度为４５０°Ｃ，最大流量为１６邋ｍ３／ｈ，压降为３邋ｂａｒ，设计功率２５０邋ｋＷ，逡逑液态ＬＢＥ容量为３００邋Ｌ，且实验台安装有精确的氧控系统。其主要对液态ＬＢＥ的逡逑测量技术进行研究，从而建立起液态重金属热工水力特性数据库，以此来验证开逡逑发的物理模型和ＣＦＤ计算代码的准确性［４２］。逡逑．丨，—２４００：：１＝＞＾５＾逦邋Ｋ＼＇邋ＩＶ逡逑＾广－德Ｉ~栧义希体邋闻

本文编号：2792647