有机朗肯循环中纳米有机工质传热机理及应用研究

发布时间：2017-12-23 20:05

  本文关键词：有机朗肯循环中纳米有机工质传热机理及应用研究　出处：《昆明理工大学》2017年博士论文　论文类型：学位论文

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【摘要】：我国冶金行业在高能耗的背后蕴藏着大量的中低温余热资源,对这部分余热资源进行高效地回收利用,是节能减排的重要环节。有机朗肯循环(Organic Rankine Cycle,ORC)是目前诸多中低温余热回收技术中最有效且较为成熟的技术,但由于有机工质的导热系数、普朗特数较低,导致ORC系统的热端及冷端换热设备庞大、造价较高,在很大程度上降低了系统的技术经济性能。国内外相关研究表明以一定的方式和比例将纳米颗粒分散到流体中,制备得到稳定、均匀的"纳米流体",可有效提高流体传热性能。纳米有机工质是一种以有机工质为基液的纳米流体,若将其应用于ORC系统,则有望提高系统传热效率和整体性能。本文通过理论分析和实验相结合的手段,依次对纳米流体(有机工质)的导热特性、池沸腾传热机理和流动沸腾传热特性进行研究,建立预测纳米流体传热和流动特性的数学模型,为纳米有机工质的优选提供依据。在此基础上,对应用纳米有机工质的ORC系统进行一定程度的探索性研究。本文的主要研究内容如下:(1)在综合考虑纳米颗粒/团聚体导热、液体分子吸附层、颗粒团聚和布朗运动引起微对流的基础上,以颗粒在纳米流体中的团聚体尺寸为计算参数,建立了计算水基、乙二醇基纳米流体和纳米有机工质有效导热系数的数学模型;通过与文献中实验数据以及相关导热模型的计算结果进行比较,发现该模型具有较好的精确性与适用性;基于该模型分析了颗粒浓度、流体温度、吸附层厚度、团聚体尺寸和团聚体分维数等因素对纳米流体有效导热系数的影响。(2)以壁面热通量拆分模型为基础,考察了若干个常用的气泡动力学参数关联式对纳米流体池沸腾传热系数的预测能力,发现上述关联式局限性较大;通过对沸腾加热面上孔穴尺寸分布的分形描述,建立了适用于预测水基纳米流体和纳米有机工质池沸腾传热系数的分形模型;在验证了模型精度的基础上,探讨了壁面过热度、分维数、接触角和流体热物性对纳米流体池沸腾传热特性的影响;基于该模型从加热面接触角和流体热物性两方面揭示了添加纳米颗粒对不同种类流体的影响规律:对于水基纳米流体,颗粒沉积导致加热面上固液接触角降低,加热面上活化核心数量减少,气泡影响区比例下降,当接触角的降低程度超过纳米颗粒增强流体导热系数的幅度时,水基纳米流体传热恶化;对于纳米有机工质,由于工质的润湿性较强,颗粒沉积对接触角的影响甚微,沸腾传热系数随颗粒浓度的增加而增大,传热性能的强化主要源于纳米颗粒提高有机工质的导热系数。(3)搭建了纳米有机工质管内流动沸腾传热测试平台,制备了体积浓度分别为 0.02%,0.05%和 0.2%的 MWCNTs-R123 纳米有机工质;对 MWCNTs-R123纳米有机工质在水平管内流动沸腾时的传热及摩擦压降特性进行实验研究,考察了颗粒体积浓度、有机工质的干度和质流密度对传热性能及摩擦压降的影响;对MWCNTs-R123纳米有机工质在等流量、等压降和等泵功约束条件下的综合性能进行评价;基于实验数据建立了预测纳米有机工质管内流动沸腾传热系数和摩擦压降的关联式,结果表明:添加MWCNTs纳米颗粒同时提高了有机工质R123的传热系数和压降,传热系数增幅大于压降增幅;MWCNTs-R123纳米有机工质的传热系数较纯R123最多可提高27.1%;纳米有机工质传热系数及压降的增幅随质流密度的增加而逐渐降低;所建立的纳米有机工质流动沸腾传热系数模型计算值与实验值偏差在±15%以内,精度满足传热计算要求;通过对现有两相流摩擦压降关联式预测精度进行比较,发现Muuller-Steinhagenand Heck公式的预测值与实验结果偏差13.07%,预测精度满足使用纳米有机工质的ORC系统设计计算的要求。(4)基于传热学、热力学和流体力学联合分析方法,在建立ORC系统模型的基础上,重点研究纳米有机工质在ORC系统蒸发器中的热力特性,考察了颗粒种类与浓度、工质流量对有机工质侧传热系数、蒸发器总传热系数、蒸发器效能、压降、泵功、系统单位净输出功率所需传热面积及不可逆损失的影响,采用无量纲熵产数Ns及纳米熵产影响因子Fs定量探讨了蒸发器不可逆损失随工质流量和颗粒浓度的变化规律。结果显示:在采用不同种类纳米颗粒制备的纳米有机工质中,MWCNTs-R123综合性能较好;低颗粒浓度下(0.3vol.%),纳米颗粒对有机工质传热性能的强化作用较为显著;进一步增加颗粒浓度,颗粒对工质传热性能的强化幅度降低,对压降的提升作用明显,导致换热器综合性能指标随颗粒浓度呈现先增大后减小的趋势;蒸发器总熵产随流量先减小后增大,各颗粒浓度下存在一个最佳流量(540kg/h)使蒸发器总熵产最低,颗粒浓度在这一流量前后对熵产的影响作用不同。
【学位授予单位】：昆明理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TK115;TB383.1

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本文编号：1325284