翅片管式气-液换热器传热强化实验与数值模拟研究

发布时间：2020-11-01 22:35

　　 伴随经济的高速发展,人们关注的重点,慢慢的从经济发展转移到倡导能源低碳运行、提高资源利用率、保护生态环境和实现人类社会和谐可持续发展上来。为了解决能源需求急剧增长而供应不足等一系列问题,除了大力开展节能、科学用能和化石燃料的清洁高效利用等研究以外,还必须加快可再生能源如太阳能、风能等的开发和利用。然而风能、潮汐能、太阳能等可再生能源具有间歇性和波动性的特点,其并网将对电网产生较大的冲击,导致弃风、弃光等浪费能源的现象非常严重。为了解决这类问题,研究者们提出采用储能技术对可持续能源进行调节,但传统的抽水蓄能、压缩空气储能等储能方式受到地理条件的限制,影响其大规模的利用。为了解决此类问题,我国中科院提出了超临界压缩空气的储能方式,其不受地理条件的限制并可大规模应用。超临界压缩空气储能系统主要是将空气压缩到超临界状态,冷却液化之后储存在低温储罐中。在压缩过程中由于空气的压力升高而产生大量的压缩热,为提高系统效率,需要在压缩过程中采用级间冷却技术,将压缩热通过翅片管式气-液换热器换热后储存在良好的蓄热介质中。因此换热器作为蓄热系统的核心部件,其性能将会影响整个系统的效率。本文以国家“973”项目-“中高温储热材料与储热单元传热强化机理”(项目编号:NO.2015CB251303)为依托,采用实验和数值模拟两种方法展开研究。在实验部分,针对四种不同翅片间距的翅片管式气-液换热器,采用高温空气-熔盐(Hitec)、水-空气、乙二醇溶液-空气进行对流换热实验,通过改变管内外介质流速以对其变工况下的换热和流动情况展开对比分析。数值模拟部分建立了翅片管式气-液换热器的三维模型,着重考察高温空气-熔盐换热时压力、流速等工况的变化对换热性能及阻力特性的影响。研究结果对超临界压缩空气系统中压缩热的高效回收利用具有一定的指导意义。本文主要研究内容与结论如下:(1)对翅片管式高温空气-熔盐换热器进行了实验研究,搭建了高温空气-熔盐换热系统,其子系统包括熔盐主回路系统、热空气系统、导热油冷却系统、水循环冷却系统和测试系统。实验通过热平衡原理对加热量和流体流量进行调节,熔盐从空气中吸收热量,再与导热油换热释放热量,使系统达到热平衡状态。(2)实验分四步进行,第一步通过导热油冷却系统反推熔盐流量,确定了熔盐泵频率与熔盐流量的关系,经过数据处理,拟合出两者之间的线性关系式q_(ms)=0.01456f_p-0.2318;第二步进行高温空气-熔盐换热实验,得到了高温空气流速、熔盐流速、翅片间距变化对换热和流动特性的影响规律;第三步进行水-空气、乙二醇-空气的对流换热实验,实验得到了水、乙二醇、空气三种流体流速及翅片间距的变化对其换热和流动特性的影响规律;第四步,总结实验各部分得到的换热准则关联式。(3)对翅片管式气-液换热器建立了三维计算模型,采用FLUENT软件进行数值模拟研究。在建模时,考虑到管内熔盐的动力粘度随温度变动大的特点,将管内熔盐与管外空气的对流换热进行耦合计算,从而避免了以往在计算中将管内壁设置为恒热流或恒壁温而产生的误差。结果表明:1)随着空气的流动,前排管尾流区比后排管尾流区范围小,后排管换热较差。且随着流速的增加,背风侧即管排后方的低温区范围逐渐减小,因回流产生的流动死区面积逐渐减小,换热增强。2)随着空气压力的增大,翅片表面平均温度升高,等温线更趋于规则,接近圆环状,而且温度等值线分布越来越密集,温度梯度逐渐变大,换热得到强化,表现为换热系数逐渐增大。3)空气压力为0.1MPa时,其换热系数及流动阻力系数几乎随空气侧Re数的增加呈线性变化,而压力工况为0.63MPa时,二者都呈非线性趋势。
【学位单位】：北京工业大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TK124
【文章目录】：
摘要
Abstract
物理量名称及符号表
第1章 绪论
    1.1 引言
    1.2 压缩空气储能系统研究现状
        1.2.1 CAES技术研究现状
        1.2.2 超临界压缩空气储能系统研究
    1.3 熔盐蓄热的研究现状
    1.4 翅片管式换热器的研究进展
        1.4.1 国内外实验研究现状
        1.4.2 数值模拟方法在翅片管式换热器研究中的应用
    1.5 本文研究内容
第2章 翅片管式气-液换热器传热实验系统及方案
    2.1 实验原理
    2.2 高温空气-熔盐换热实验系统组成
        2.2.1 熔盐主回路系统
        2.2.2 热空气系统
        2.2.3 导热油冷却系统
        2.2.4 水循环冷却系统
        2.2.5 测试系统
    2.3 高温空气-熔盐换热实验操作方法
        2.3.1 实验准备阶段
        2.3.2 实验进行和结束阶段
    2.4 水-空气、乙二醇溶液-空气换热实验系统介绍
    2.5 本章小结
第3章 翅片管式气-液换热器对流换热实验研究
    3.1 实验介质物性参数
        3.1.1 导热油物性参数
        3.1.2 熔盐物性参数
        3.1.3 空气物性参数
        3.1.4 乙二醇（56%）溶液物性参数
    3.2 实验数据处理
    3.3 高温空气-熔盐对流换热实验数据分析
        3.3.1 管内工质侧传热性能分析
        3.3.2 管外空气侧传热及阻力特性分析
    3.4 水和乙二醇溶液对空气对流换热的实验结果分析
        3.4.1 管内工质侧传热性能分析
        3.4.2 管外空气侧传热及阻力特性分析
    3.5 实验误差分析
        3.5.1 测量误差
        3.5.2 理论误差
    3.6 本章小结
第4章 翅片管式高温空气-熔盐换热器的数值模拟研究
    4.1 CFD数值模拟方法
    4.2 数学物理模型
    4.3 模型的网格划分
    4.4 边界条件的设定
    4.5 计算区域的数学描述
    4.6 数值模拟验证
    4.7 数据整理方法
    4.8 模拟结果分析
        4.8.1 整体温度场分布
        4.8.2 空气流速对流场与温度场的影响
        4.8.3 空气压力对流场与温度场的影响
        4.8.4 翅片管换热器传热性能的综合评价
    4.9 本章小结
结论与展望
参考文献
攻读硕士学位期间发表的学术论文
致谢

【相似文献】

相关期刊论文 前10条

1 朱家齐;;新型的碳化硅高温换热器能源消耗降低20%,产量提高10%[J];成都科技大学学报;1987年02期

2 王宗森;沈熊;徐元辉;毕树勖;;应用二维激光测速系统和可视化技术研究换热器流动和阻力特性[J];核科学与工程;1987年Z1期

3 刘人侃;;不锈钢换热器的应力腐蚀及预防措施[J];石油化工设备技术;1987年04期

4 张应豪;折流杆换热器的试验及其应用[J];石油化工设备;1988年01期

5 魏淑英;高压加氢换热器的结构[J];石油化工设备;1988年03期

6 汪晓昱;鼓泡式换热器的研制[J];压力容器;1988年01期

7 张仁贵;张玉柱;;高炉炉顶煤气显热回收可行性研究[J];唐山工程技术学院学报;1988年01期

8 熊巍峰;;RGH—Q换热器[J];上饶师专学报(自然科学版);1988年05期

9 万新明;国外冷凝锅炉研究概况[J];煤气与热力;1989年06期

10 赖光熙,谢伟升;热媒式换热器的设计与应用[J];石油化工设备;1989年04期

相关博士学位论文 前8条

1 董涛;微管道换热器内微流体的流动与换热[D];南京理工大学;2003年

2 刁乃仁;地热换热器的传热问题研究及其工程应用[D];清华大学;2005年

3 周森泉;换热器温差场均匀性原则及其应用[D];清华大学;1995年

4 文键;基于PIV技术的换热器内部场分布特性研究[D];西安交通大学;2006年

5 郑继周;弹性管束换热器各组件动态特性研究[D];山东大学;2007年

6 韩勇;(火积)减理论及其换热器优化研究[D];郑州大学;2017年

7 曲德虎;太阳能辅助空气源热泵蓄能系统特性研究[D];哈尔滨工业大学;2017年

8 郭敏;基于温度场均匀原则的蓄热式地埋管换热器传热分析与优化[D];山东建筑大学;2017年

相关硕士学位论文 前10条

1 裴琳;土壤—空气换热器换热特性模拟与应用研究[D];燕山大学;2018年

2 陶聪;汽车尾气温差发电系统换热器传热性能分析与结构优化[D];武汉理工大学;2016年

3 刘忠秋;翅片管式气-液换热器传热强化实验与数值模拟研究[D];北京工业大学;2018年

4 霍涧;蛋白质在换热器表面的结垢和清洗以及抑垢研究[D];苏州大学;2018年

5 王闪;同轴体组合换热器结构设计及热耦合分析[D];安徽工业大学;2018年

6 王岩;基于定型材料相变换热器的开发与数值分析[D];大连理工大学;2018年

7 乐邹英;基于旋梯式螺旋折流板的船用空调换热器数值模拟研究[D];江苏科技大学;2018年

8 朱必佳;自堆积式螺旋速冻机气流场分析与结构优化[D];南京理工大学;2018年

9 田士博;轨道交通用空调换热器的优化设计及仿真[D];大连交通大学;2018年

10 李广祺;管翅式换热器热力设计优化系统研究与实现[D];湖南大学;2017年

本文编号：2866199