【摘要】：印刷電路板式換熱器(Printed Circuit Heat Exchanger,PCHE),是通過化學(xué)蝕刻的方法在換熱板上蝕刻出微通道并利用原子間結(jié)合力實現(xiàn)擴散連接的緊湊型板式換熱器,在浮式天然氣、海上油氣加工、太陽能熱電、高溫反應(yīng)堆中間冷卻器領(lǐng)域均有廣闊的應(yīng)用前景。目前針對PCHE內(nèi)流動與換熱特性的研究局限于:研究結(jié)構(gòu)參數(shù)和運行參數(shù)對超臨界二氧化碳、氦氣在PCHE內(nèi)流動與換熱評價指標(biāo)(范寧因子和努塞爾數(shù))的影響規(guī)律,對流動與換熱特性影響的機理研究并不深入。此外,對于甲烷、甲烷/乙烷混合物在半圓形截面Zigzag通道內(nèi)流動與換熱基礎(chǔ)性問題的研究及準(zhǔn)則式的開發(fā)國際上依然處于起步階段。因此,本文以甲烷、甲烷/乙烷混合物為流動工質(zhì),探討結(jié)構(gòu)參數(shù)和運行參數(shù)對PCHE內(nèi)流動與換熱特性的影響機理,開發(fā)適用于甲烷、甲烷/乙烷混合物在半圓形截面Zigzag型PCHE內(nèi)的流動與換熱準(zhǔn)則式。首先,本文基于FLUENT平臺的SST k-ω湍流模型確定了三維湍流穩(wěn)態(tài)數(shù)值計算方法,驗證了其可靠性,并從流體熱量輸運能力、粘性耗散速率、旋渦發(fā)生顯著程度及流體邊界層的角度探討了結(jié)構(gòu)參數(shù)對流動與換熱特性的影響機理。結(jié)果表明,在本文研究范圍內(nèi),小通道直徑、小節(jié)距、大折轉(zhuǎn)角工況下的流動性能較差,但換熱性能較好,耦合考慮其流動和換熱特性進行優(yōu)化分析,確定了本文研究范圍內(nèi)的最優(yōu)通道直徑為1.51mm、最優(yōu)節(jié)距為20.0mm、最優(yōu)折轉(zhuǎn)角為15°。其次,基于最優(yōu)的Zigzag通道結(jié)構(gòu),從湍流核心區(qū)高速成分、流動分離顯著程度、能量輸運及耗散速率等角度,探究了運行參數(shù)對甲烷、甲烷/乙烷混合物在半圓形截面Zigzag通道內(nèi)流動與換熱特性的影響機理。結(jié)果表明,高質(zhì)量流率、高入口溫度工況的流動性能較差,但換熱性能較佳,高出口壓力工況的流動與換熱性能均較佳;此外,構(gòu)建了不同參數(shù)工況下的數(shù)值模擬結(jié)果數(shù)據(jù)庫。最后,對文獻中現(xiàn)有的半圓形截面Zigzag型PCHE內(nèi)超臨界二氧化碳的流動與換熱準(zhǔn)則式,用于預(yù)測甲烷、甲烷/乙烷混合物流動與換熱特性的適用性作了分析。適用性分析結(jié)果表明,文獻中現(xiàn)有的流動與換熱準(zhǔn)則式對甲烷、甲烷/乙烷混合物均不適用,故基于數(shù)值模擬數(shù)據(jù)庫開發(fā)了對甲烷、甲烷/乙烷混合物通用的流動與換熱準(zhǔn)則式,準(zhǔn)則式得出的努塞爾數(shù)、范寧因子與數(shù)值模擬結(jié)果間的最大相對誤差均控制在±2%以內(nèi),具備較高預(yù)測精度。
【圖文】：

圖 1-1 PCHE 示意圖：(a)整裝圖；(b)流道示意圖；(c)橫截面示意圖[17]1.2.1 PCHE 的結(jié)構(gòu)形式從整體角度來看，PCHE 是通過化學(xué)蝕刻的方法刻制出半圓形截面的微通道，然后在上下兩板間施加一定的壓力，利用原子之間的結(jié)合力實現(xiàn)擴散連接，其加工流程示意圖如圖 1-2 所示；局部角度看，PCHE 的加工制造過程如下：（1）采用化學(xué)蝕刻的方法在換熱板上蝕刻出換熱微細(xì)通道；（2）將流道蝕刻完成的換熱板根據(jù)流體的性質(zhì)，冷熱相間堆置起來準(zhǔn)備后續(xù)的原子擴散連接工序；

圖 1-1 PCHE 示意圖：(a)整裝圖；(b)流道示意圖；(c)橫截面示意圖[17].2.1 PCHE 的結(jié)構(gòu)形式從整體角度來看，，PCHE 是通過化學(xué)蝕刻的方法刻制出半圓形截面的微通后在上下兩板間施加一定的壓力，利用原子之間的結(jié)合力實現(xiàn)擴散連接，其流程示意圖如圖 1-2 所示；局部角度看，PCHE 的加工制造過程如下：（1）采用化學(xué)蝕刻的方法在換熱板上蝕刻出換熱微細(xì)通道；（2）將流道蝕刻完成的換熱板根據(jù)流體的性質(zhì)，冷熱相間堆置起來準(zhǔn)備后原子擴散連接工序；
【學(xué)位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號】：TK172

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本文編號：2643639