印刷板式换热器流动与换热特性数值模拟研究

发布时间：2020-11-03 22:51

　　 随着设计方法及制造工艺的不断提高,近年来印刷板式换热器以其体积小,换热效率高的优势得到各行业的广泛关注和认可,尤其在航空航天,船舶工程和石油化工等领域均有很大的应用前景。本文以印刷板式换热器为研究对象,基于气热耦合数值模拟方法,对海水与天然气之间的流动和换热特性进行了数值研究,包括不同换热通道几何尺寸和匹配方式对温度、压力和密度等参数的影响规律,换热器内部各区域的温度和压力分布规律,并在此基础上对印刷板式换热器结构进行优化。主要创新点包括,通过考虑真实天然气密度、比热和粘性等物性参数随温度的变化,更精确模拟管道内流动与传热过程;基于数值仿真方法,获得一种真实的印刷板式换热器的总压恢复系数和温度特性的变化曲线,得到了较优的换热管路结构参数,并且通过将实验数据与数值模拟结果对比,验证了计算方法及设计结果的可靠性,为印刷板式换热器结构优化设计奠定了基础。具体研究成果如下:研究表明降低流速可以提高印刷板式换热器管内流体与外界的热交换能力,并可降低总压损失,减少相应的泵功,同时可降低换热管强度要求。而换热管弯角的减小使得相同长度内换热面积增大,同时随着换热管的周期性弯曲,主流流体和附面层流体之间的相互掺混增强,因此也增强了换热能力。而随着管壁粗糙度的增加,管道换热能力增强,但流体与管道的摩擦力增大,总压恢复系数降低,当粗糙度为12.5μm时,总压恢复系数较光管降低10%左右。由于冷却介质流量随着换热管直径增加而增多,换热能力也随管道直径增加而增强。通过A、B、C三种管道与不同流速匹配方式的研究得出,所有方案均能满足设计的换热要求,且天然气进出口温度下降较设计值增加约5%,但由于方案A水流进口速度较大,其海水管道压损可达318540Pa,而在后两种方案中,降低海水流速后压损为88180Pa,满足设计压损低于1bar的要求。从管道内部换热特性来看,天然气和海水的换热主要集中在天然气进口至50%管道长度内,该区域内天然气温度下降可到80K以上,而后半段温度下降不足30K。通过减小天然气管道直径,可有效减小设备高度,当管道直径由2mm下降至1.5mm时,虽然天然气管道内压降略有提高,但换热能力和压降均满足设计要求。综合考虑换热与压降要求,该方案是本设计中的最优方案。
【学位单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：TK172;TK124
【部分图文】：

哈尔滨工业大学工程硕士学位论文大的表面积，可以简单地通过增加或减少板的数量修改为不同的需热性能优于其他类型换热器，运行成本有竞争力[ 7]。有了这些优点技术的进步，以新的耐高温和耐压力材料制成的垫圈或石墨板，现这种类型的热交换器用于更多的动力装置和化学过程。板式换热器的结构[ 8]较其他类型的换热器简单的多，其主体结构是平行的薄金属板即“板片”叠加在一起构成，一般板片上设计成波纹板式换热器的核心部件，其设计的好坏直接影响到整个换热器的换换热板片，板式换热器的部件还有支柱、上/下导杆、橡胶板、密/螺栓等，具体结构和部件在图 1-1 中给出。换热器板片被固定住器模型，工质在板片间流道内流动，换热流体即高温流体和低温流开，完成热量交换。图 1-2 所示的原理图即指出了板式换热器的换

板式换热器的部件还有支柱、上/下导杆、橡胶板、密封母/螺栓等，具体结构和部件在图 1-1 中给出。换热器板片被固定住后热器模型，工质在板片间流道内流动，换热流体即高温流体和低温流体错开，完成热量交换。图 1-2 所示的原理图即指出了板式换热器的换热原图 1-1 板式换热器组成部分[8]

—表示的是系统内涉及内能变化的工质的比热矩阵；——表示的是系统单元各节点上的温度向量；——表示温度的时间导数；——表示系统单元各节点上节点的热量流率。格无关性及湍流模型验证验证计算方法的可靠性，开展了不同计算网格以及三种不同湍流一方程 S-A 模型以及两方程 k-ε 和 SST 湍流模型）的单通道换究。研究对象如图 2-3 所示，其中管道长度为 600mm，直径为 2部有 10 个弯曲段，弯曲段长度为 50mm，弯曲段角度为 140°。 6.2m/s，进口温度 301.15K，管壁温度为 414.35K，出口压a。了 5 种网格条件下对管道流动特性的影响，网格数见表 2-1 所示道横截面网格对比如图 2-4 所示，采用混合网格，对壁面附近的部加密。
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本文编号：2869219