LNG汽车冷能回收低温套管换热器传热特性的研究

发布时间：2020-06-13 12:52

【摘要】：液化天然气(Liquefied Natural Gas,LNG)作为车用燃料在使用过程中会气化成气体,并释放出大量的冷能。如果这部分冷能被回收,利用于汽车空调系统,将很大程度地节约能源。冷能回收系统最为关键的设备是换热器,需要对换热器进行大量的理论计算和数值模拟,对换热器进行优化设计,从而确保换热器的强化传热和节能效果。基于国内外LNG汽车冷能回收技术的研究现状,采用了螺旋套管换热器作为LNG汽车冷能回收空调系统的关键换热元件。运用数值模拟的方法,对几种不同截面形状、不同几何结构的螺旋套管换热器的传热特性进行了研究。具体研究内容如下:第一,借助数值计算软件Fluent的平台优势和理论基础搭建模式,对换热器内部的流动与热交换过程的理论依据进行详细的阐述。对已有参考文献中液氮与LNG的换热实验工况,进行了数值模拟。数值模拟结果与实验结果对比,吻合良好,验证了所采用数值计算方法的可行性。第二,对不同截面形状的LNG汽车冷能回收螺旋套管换热器进行了数值模拟,获得了相应的压力场、温度场和对流传热系数分布,确定了圆形截面换热器的流场特性和换热效果最佳,为后续螺旋套管换热器的结构选型和数值计算打下了基础。第三,计算了加热流体速度对LNG汽车冷能回收螺旋套管换热器内流体流动和换热的影响,分别对不同螺旋中径、不同螺旋节距的螺旋套管换热器进行了数值计算,获得了螺旋套管换热器内的流动和传热特性,将为换热器的优化设计提供理论依据。本文主要运用了数值模拟的计算方法,确定了LNG汽车冷能回收螺旋套管换热器的基础结构,对不同结构形式的螺旋套管换热器进行了数值计算,得到了换热器内流体流动和传热的特性,为LNG汽车冷能回收螺旋套管换热器的优化设计提供了参考和借鉴。
【图文】：

基本方程,平衡条件,热流,分区求解

图 2.1 Fluent 应用流程图通过分区求解，许多复杂的问题的耦合可以进行分区处理，进而使复杂的问题得以简化，经过处理之后，每个区域的计算精度还能够相应的增加，而对于收敛标准而言，需要在各个区域以及区域边界上利用平衡条件进行控制，该平衡条件为在划分的不同区域内求解的温度和热流具有一致性，当然，在实际情况下，每个区域内求解的温度和热流不可能完全一致，会存在一定的偏差，而通常在计算中只需要将偏差控制在合理的范围内（如 10e-5）即可。在耦合求解过程中，首先假定耦合边界的温度是能够随机设定的，某些情况下，为了利于收敛，应当设定一个比较合理的数值，这样就能够快速收敛以达到节省计算时间的目的。2.2 数值模拟的基本方程2.2.1 传热数值解析的基本方程以下是 FLUENT 用于求解流动问题的最基本的质量、动量、能量守恒方程（流

网格离散,几何造型,换热器

a) 换热器几何造型 b) 换热器网格离散图 2.3 换热器几何造型及其网格离散采用层流模型作为主控方程，并开启能量方程计算热能的交换。换热过程中非等温流体间壁面的热量交换是准确计算换热效果的关键，采用rior_wall 边界条件作为热流壁面。为保证计算精度，空间离散全部采用二阶格式，迭代算法采用改进的 SIMPLEC 算法，，并控制残差精度为 1e-5。换热工作时，氮气从换热管外管流动，液态 LNG 从换热器内管入口处流入，通壁与外管内的液氮进行换热，发生相变成气态 LNG，并从出口流出供汽车使用，所以在换热器内管为多相流流动。本节采用 Mixture 混合相模型进行流的数值计算，该模型属于欧拉法，但可以考虑相间速度的小滑移情况。多中两相间的反应有动量交换、化学反应等，换热器内管只涉及 LNG 的相变，气态和液态 LNG 之间则没有化学反应，故应主要考虑两相间的动量交换。，为充分考虑相间反应，采用 evaporation-condensation 模型计算两相间的动
【学位授予单位】：山东建筑大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：U463.851;U469.75

【参考文献】