车用柴油机-ORC联合系统中管翅式蒸发器的理论计算和数值模拟研究

发布时间：2020-09-03 09:16

　　从发动机的能量平衡角度来看,发动机在运转过程中燃料燃烧仅产生部分有用功,大部分能量通过冷却系统和排气散失。将发动机的余热能有效地转化利用,是提高内燃机总能效率、降低燃油消耗量的有效途径。本研究利用有机朗肯循环(ORC)回收车用发动机排气能量,蒸发器作为ORC系统中的关键部件,对系统的运行性能有重要影响。因此,对管翅式蒸发器的结构和性能研究具有重要的价值与意义。基于管翅式蒸发器的结构参数建立应用于车用柴油机余热回收有机朗肯循环系统中管翅式蒸发器的热力模型。采用粒子群算法对管翅式蒸发器进行多目标优化,选取壳侧进口半径、管侧进口半径、翅片高度、翅片间距和翅片厚度作为优化变量,年化总成本、管束区域体积和壳侧排气压降作为目标函数,采用线性权重法对目标函数进行决策,通过Matlab R2010a计算以后得到的曲线可以较好的体现参数变化对壳侧排气压降、年化总成本和管束区域体积所引起的目标函数影响关系。研究结果表明:与初始设计参数相比,优化后的管翅式蒸发器体积增加6.49%,年化总成本减少71.46%,壳侧排气压降减少27.6%。基于CFD方法模拟管翅式蒸发器局部三维模型中排气与翅片管之间的共轭传热,得到排气在翅片管间的温度、压力以及速度分布等,并研究排气流速和翅片厚度对流动和换热的影响。研究结果表明:随着排气流速增大,尾流区内排气的流速有所增加,可以减小尾流区的面积,翅片管的换热效果得到改善。翅片厚度增加,翅片管的换热性能有所提升,但是进出口压降升高。基于CFD方法对管翅式蒸发器整体的计算模型排气和工质单相流动和换热特性进行数值模拟,将车用柴油机-ORC联合系统实验台架的实验数据作为初始条件,根据计算结果分析排气和工质R245fa分别在蒸发器壳侧和管侧的单相流动和换热特性。研究结果表明:排气流经管翅式蒸发器引起的排气背压增量为127.2Pa,排气压力的最大值出现在第一排管束的中心区域;在壳侧管束中心区域流线分布较密,换热效果较好,边缘位置流线分布较少,换热效果较差;蒸发器管侧有机工质由于沿程阻力和局部阻力的作用,压降约为1.8bar。
【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】：U464.172
【部分图文】：

剖面图,换热器,剖面图,翅片

图 1-1 管翅式换热器剖面图Fig.1-1 Sectional view of fin-and-tube evaporator华中科技大学张利[47]等建立了椭圆管椭圆翅片的三维模型，通过 Fluent 软件对椭圆管椭圆翅片的三维模型进行数值模拟，改变翅片间距和迎面风速，得到流动和换热性能的变化情况。结果表明：椭圆管椭圆翅片的表面换热系数与圆管圆形翅片相比没有明显差别，但是流动阻力减小较为明显，适当增加迎风侧换热面积有利于强化换热。华南理工大学王巧丽[48]等建立了翅片管壳侧的三维模型，并通过 Fluent 模拟了燃气锅炉烟气在翅片管壳侧的流动和换热情况，得到了燃气锅炉烟气在壳侧的速度场、温度场和压力场等。结果表明，平均换热系数随着烟气进口速度的增加而增大，换热效果得到改善，但是流动阻力也升高，因此进出口压降也呈现递增趋势；与翅片高度相比，翅片间距对换热的影响较大，翅片管的换热性能随着翅片间距的增加而逐渐减弱，但阻力系数也随之减小。同济大学赵兰萍[49]等研究了管间距对椭圆翅片管换热器流动和换热的影响。结果表明，与纵向管间距相比，横向管间距对流动和换热影响较大，在相同压降

原理图,余热回收,联合系统,朗肯循环

图 2-1 车用柴油机-有机朗肯循环联合系统余热回收原理图Fig. 2-1. Schematic of the vehicle diesel engine-ORC combined system图 2-2 温熵图Fig. 2-2. T-s diagram of the ORC system 工质选择

温熵图,温熵图,工质

-15-图 2-2 温熵图Fig. 2-2. T-s diagram of the ORC system 工质选择选择性能优异的有机工质是提升有机朗肯循环系统回收效率的重要机工质的选取方面主要考虑以下因素：1、环保性能臭氧层衰减指数(Ozone Depletion Potential,ODP)，用于表征气体散发中对臭氧层造成破坏的程度，以有机工质 R11 作为标准，故 R11 的 O 1，其它有机工质的 ODP 值均为以 R11 为基准的相对值。全球变暖潜能值(GlobalWarmingPotential,GWP)，用于表征在一定的，被考察的气体对大气的综合影响和吸收红外辐射的能力，也就是该

【相似文献】