堆叠金属珠式回热器性能模拟与优化

发布时间：2017-09-12 02:06

  本文关键词：堆叠金属珠式回热器性能模拟与优化

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【摘要】：VM循环热泵按闭式气体回热循环原理工作,能高效利用低品位能源,具有节约能源和保护生态环境的特点。其回热器内部是交变流动,不同结构形式的回热器流动特性差异较大,对VM热泵的性能有决定性的影响。堆叠金属珠回热器具有热效率高等特点,但也具有流阻损失大等缺点,因此本文以VM循环热泵中的堆叠金属珠式回热器为研究对象,运用格子Boltzmann等方法进行回热器的性能分析与优化。VM循环热泵中的回热器是无阀回热器,其内部流动是不稳定流动。表征堆叠金属珠回热器的结构特征参数有回热器长径比、球体直径和单位长度换热面积等,运行参数有运行频率、充气压力和入口温度等。根据参考文献数据,对外部结构为圆柱形、填料材料为不锈钢的堆叠金属珠回热器进行了初步计算,得到回热器的流阻损失为766.13W,回热器效率为0.96,VM循环热泵的COP为1.76。为解决堆叠金属珠回热器流阻大的问题,本文采用格子Boltzmann方法的二维九速模型对顺排和插排布置的回热器进行速度场和压力场的模拟。模拟结果表明:速度和压力分布呈现出正弦规律变化。根据模拟结果,拟合出阻力系数的关联式,并与其它文献得到的关联式进行了对比分析。以回热器流阻损失为目标,在给定的参数范围内,讨论了入口温度、充气压力、运行频率、长径比、回热器长度和球体直径等参数对流阻损失的影响,得到运行频率和长径比是主要影响因素,其次是球体直径和回热器长度,影响较小的是入口温度和充气压力。为了保证流阻损失较小时回热器效率较高,进行了上述回热器特征参数对回热器效率的影响分析。当回热器长度为0.08m,充气压力为8MPa,运行频率为400rad/min,回热器长径比约为1.5,球体直径为0.4×10-3m和入口温度约为600K时,计算得到流阻损失由766.13W降到为547W,回热器效率由0.96提高到0.98,VM系统COP由1.76提高到2.1。最后推导计算出一种回热器损失的计算公式,可用于回热器损失的优化计算。
【关键词】：VM循环热泵 堆叠金属珠回热器 格子Boltzmann方法 流阻损失 回热器效率 优化
【学位授予单位】：华北电力大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TK115
【目录】：

• 摘要5-6
• Abstract6-8
• 主要符号表8-11
• 第1章 绪论11-18
• 1.1 研究背景与意义11-12
• 1.2 国内外研究动态12-17
• 1.2.1 回热器流动与换热的研究12-15
• 1.2.2 格子Boltzmann方法的研究15-17
• 1.3 本文主要研究内容17-18
• 第2章 堆叠金属珠回热器的结构特点和性能计算18-36
• 2.1 VM热泵系统18-19
• 2.2 VM热泵的优点及回热器的作用19-20
• 2.3 回热器的结构特点20-24
• 2.3.1 回热器的分类20-21
• 2.3.2 回热器的结构形式21
• 2.3.3 回热器填充方式21-24
• 2.4 堆叠金属珠回热器的特征参数24-27
• 2.4.1 回热器的结构参数24-25
• 2.4.2 回热器的物性参数25-27
• 2.4.3 回热器的运行参数27
• 2.5 回热器流阻和效率的计算27-31
• 2.5.1 回热器已知参数27-28
• 2.5.2 回热器流阻和效率28-31
• 2.6 VM热泵损失和COP计算31-35
• 2.7 本章小结35-36
• 第3章 格子Boltzmann方法对回热器流动的模拟36-53
• 3.1 格子BOLTZMANN方法36-39
• 3.1.1 LBM理论介绍36-37
• 3.1.2 模型介绍37-38
• 3.1.3 边界条件38-39
• 3.2 模拟验证39-40
• 3.3 模拟流程40-41
• 3.4 多孔介质模型的构造41
• 3.5 单位转换41-43
• 3.6 多孔介质模拟结果43-49
• 3.6.1 速度场43-47
• 3.6.2 压力场47-49
• 3.7 堆叠金属珠回热器阻力系数49-52
• 3.8 本章小结52-53
• 第4章 堆叠金属珠回热器流阻研究53-61
• 4.1 回热器流阻损失53-54
• 4.2 回热器流阻的影响因素分析54-59
• 4.2.1 几何参数对流阻的影响54-56
• 4.2.2 物性参数对流阻的影响56-57
• 4.2.3 运行参数对流阻的影响57-59
• 4.3 确定主、次要影响因素59-60
• 4.4 本章小结60-61
• 第5章 堆叠金属珠回热器的优化设计61-68
• 5.1 回热器效率计算61-63
• 5.2 以回热器效率为目标函数的最佳参数63-65
• 5.3 堆叠金属珠回热器损失的优化65-67
• 5.4 本章总结67-68
• 第6章 结论与展望68-70
• 6.1 结论68-69
• 6.2 展望69-70
• 参考文献70-75
• 攻读硕士学位期间参加的科研工作75-76
• 攻读硕士学位期间发表的论文76-77
• 致谢77

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前5条

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本文编号：834410