發(fā)布時(shí)間：2020-10-30 03:20

　　 印刷板式換熱器(printed circuit heat exchanger,PCHE)具有緊湊度高,換熱面積大,耐高壓低溫等優(yōu)點(diǎn),是一種較為有前景的板式換熱器。由于具有較高的緊湊性從而具有較小的體積,作為汽化器特別適用于高壓條件下的有限體積的氣化過程。PCHE的通道形狀一般有直通道、Z型通道、通道中帶有間斷的S型翅片及翼型翅片四種流道結(jié)構(gòu)。其中Z型通道由于相對簡單的制造工藝和較低的制造維護(hù)成本,是應(yīng)用最廣泛的通道形狀之一。然而相比于直通道,Z型通道的傳熱強(qiáng)化是以壓降增大為代價(jià)的。因此深入研究Z型通道,在提高換熱性能的同時(shí)壓降增加較少是很有意義的。本課題主要研究超臨界LNG在Z型PCHE通道中流動與換熱特性。采用CFD數(shù)值仿真的方法,對超臨界LNG在通道內(nèi)的流動與換熱特性進(jìn)行數(shù)值仿真研究。首先使用Fluent軟件,采用SSTκ-ω湍流模型對超臨界LNG在直通道與Z型通道的PCHE中的換熱特性進(jìn)行數(shù)值仿真研究。模擬計(jì)算過程中,將超臨界LNG的熱物性擬合成溫度的多項(xiàng)式函數(shù),采用分段多項(xiàng)式方法將超臨界LNG在6.5-10 MPa范圍內(nèi)的熱物性關(guān)聯(lián)到Fluent軟件中。分析討論P(yáng)CHE通道的角度(0-45°)、入口的質(zhì)量流量207.2kg/(m~2·K)-621.6 kg/(m~2·K)和操作壓力6.5-10 MPa條件下對超臨界LNG的對流換熱系數(shù)和壓降的影響。利用無量綱參數(shù)努塞爾特?cái)?shù)(Nu)和歐拉數(shù)(Eu)、范寧摩擦系數(shù)(f)來評價(jià)超臨界LNG的傳熱性能和壓降性能。通過考慮傳熱特性和壓降特性,提出Nu/Eu和性能評價(jià)指標(biāo)(performance evaluation criterion,PEC)來評估綜合換熱性能以尋找更好的彎曲角度和工況條件。當(dāng)質(zhì)量流量變化范圍從207.2 kg/(m~2·K)增長到621.6 kg/(m~2·K)時(shí),彎曲角度小于15°時(shí)超臨界LNG具有較好的綜合傳熱性能;當(dāng)質(zhì)量流量大于414.4 kg/(m~2·K)時(shí),超臨界LNG在彎曲角度為10°以及更小的角度時(shí)的換熱性能比15°更好。另外,超臨界LNG在較高的質(zhì)量流量和較低的操作壓力條件下有較佳的傳熱性能。為了提高Z型通道的換熱性能和降低壓降,從而提高PCHE的綜合換熱性能,基于45°的Z型通道的研究基礎(chǔ),提出了兩種新型形狀的PCHE通道,即Z型通道中插入不同長度的直通道,以及帶有弧度的Z型通道,對其數(shù)值仿真研究并與傳統(tǒng)的Z型通道進(jìn)行了比較。在質(zhì)量流量為207.2-621.6 kg/(m~2·K)條件下,分析比較了超臨界LNG在Z型通道、Z型通道中插入1-5 mm的直通道,以及帶有弧度的Z型通道的局部和總壓降及換熱特性。采用Nu/Eu和PEC來對插入直通道的Z型通道和帶有弧度的Z型通道的總換熱性能與Z型通道進(jìn)行比較。根據(jù)傳熱和壓降性能,超臨界LNG在插入直通道的Z型通道和帶有弧度的Z型通道的綜合換熱性能比在Z型通道中好,并且在低質(zhì)量流量下更佳。另外,超臨界LNG在插入3-5 mm直通道的Z型通道具有最好的綜合換熱性能。
【學(xué)位單位】：江蘇科技大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位年份】：2019
【中圖分類】：TU83
【文章目錄】：
摘要
Abstract
第1章 緒論
    1.1 課題的背景及研究意義
    1.2 印刷板式換熱器的研究現(xiàn)狀
        1.2.1 流道形狀及結(jié)構(gòu)對PCHE流動與換熱特性影響研究進(jìn)展
        1.2.2 工作介質(zhì)對PCHE流動與換熱特性影響研究進(jìn)展
    1.3 本文的創(chuàng)新點(diǎn)
    1.4 本文的主要工作
第2章 理論分析與數(shù)值模型建立
    2.1 換熱理論研究
        2.1.1 微細(xì)通道內(nèi)的傳熱特性
        2.1.2 換熱器性能評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)
    2.2 計(jì)算流體動力學(xué)
    2.3 超臨界LNG熱物性變化規(guī)律
        2.3.1 超臨界流體傳熱分析
        2.3.2 超臨界LNG的熱物性
    2.4 數(shù)學(xué)方程
        2.4.1 基本控制方程
        2.4.2 湍流模型
    2.5 離散格式和收斂方案
    2.6 數(shù)值仿真數(shù)據(jù)處理方法
    2.7 本章小結(jié)
第3章 超臨界LNG在 Z型通道PCHE中傳熱特性數(shù)值仿真研究
    3.1 物理模型的建立
    3.2 邊界條件的設(shè)置
    3.3 網(wǎng)格獨(dú)立性驗(yàn)證
    3.4 數(shù)值模型準(zhǔn)確性驗(yàn)證
    3.5 不同通道彎曲角度和工況對超臨界LNG換熱性能的影響
        3.5.1 Z型通道的彎曲角度對超臨界LNG的換熱性能的影響
        3.5.2 質(zhì)量流量對超臨界LNG換熱性能的影響
        3.5.3 壓力對超臨界LNG換熱性能的影響
    3.6 本章小結(jié)
第4章 超臨界LNG在新型形狀的通道內(nèi)換熱特性的數(shù)值仿真研究
    4.1 幾何模型建立
    4.2 邊界條件和網(wǎng)格獨(dú)立性驗(yàn)證
    4.3 數(shù)值模型準(zhǔn)確性驗(yàn)證
    4.4 新型通道形狀對超臨界LNG換熱性能的影響
        4.4.1 超臨界LNG在通道內(nèi)的局部換熱性能分析
        4.4.2 超臨界LNG在通道內(nèi)的平均換熱性能分析
    4.5 本章小結(jié)
第5章 總結(jié)與展望
    5.1 總結(jié)
    5.2 展望
參考文獻(xiàn)
攻讀碩士學(xué)位期間發(fā)表的論文與專利
致謝

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本文編號：2861906