【摘要】：印刷板式換熱器(Printed circuit heat exchanger,PCHE)是一種高效緊湊的新型板式換熱器,可用于體積受限的,高壓或高熱流密度等極端工況。此外,超臨界壓力流體具有良好的流動(dòng)換熱特性,它在工業(yè)領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用。如今關(guān)于如何提高PCHE的流動(dòng)換熱特性以及其內(nèi)部特征受到國內(nèi)外學(xué)者的關(guān)注,但是目前國內(nèi)以超臨界流體應(yīng)用于PCHE換熱的研究十分少見。本文以超臨界氮為工質(zhì),采用實(shí)驗(yàn)研究與數(shù)值模擬相結(jié)合的方法,對不同工況下及不同翼型翅片排列方式的翼型流道PCHE內(nèi)的熱工水力特性進(jìn)行分析,探究翼型流道PCHE內(nèi)較佳的流道結(jié)構(gòu)與工況。因此,本研究對工程實(shí)際應(yīng)用具有重要的意義。本文首先介紹了超臨界流體及其特征,展示了超臨界氮的物性圖,并擬合了超臨界氮的物性多項(xiàng)式函數(shù)。從質(zhì)量流量、熱流密度和壓力等方面介紹了超臨界流體的特殊的換熱特性,其特殊的換熱特性主要與其物性的劇烈變化有關(guān)。然后從計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)、FLUENT介紹、流動(dòng)及換熱的基本控制方程和數(shù)值模擬基本過程四個(gè)方面講述了流動(dòng)與換熱的數(shù)值模擬理論基礎(chǔ),為下文的研究和分析提供了依據(jù)。本文通過實(shí)驗(yàn)研究了不同工況下翼型流道PCHE內(nèi)超臨界氮的流動(dòng)與換熱性能,首先介紹了實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)及實(shí)驗(yàn)過程,具體包括:實(shí)驗(yàn)裝置原理、實(shí)驗(yàn)步驟、測量元件與測量方法、實(shí)驗(yàn)誤差與數(shù)據(jù)處理。實(shí)驗(yàn)中液氮的進(jìn)口質(zhì)量通量為203-228 kg/m~2s,進(jìn)口壓力為5-8 MPa,入口溫度為103-121 K,通過整理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),分析了不同質(zhì)量流量、入口溫度和熱流密度對翼型PCHE出口溫度和壓降的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:在相同的進(jìn)口壓力下,出口溫度隨質(zhì)量流量的增加而降低。在相同質(zhì)量流量下,出口溫度隨著壓力的增大而增大。當(dāng)進(jìn)口溫度增大時(shí),出口溫度也逐漸升高,并且增加的幅度比較均勻。而且很明顯,熱流密度70 kw/m~2比66 kw/m~2的出口溫度更高,出口溫度增加約16.5℃。此外,在相同質(zhì)量流量下,壓降隨運(yùn)行壓力的減小而增大。隨著入口溫度的增加,翼型PCHE流道的壓降逐漸增大,并且壓降增大的斜率越來越大。其次,采用數(shù)值模擬的方法對翼型流道PCHE內(nèi)超臨界氮的流動(dòng)與換熱特性進(jìn)行研究,主要研究了質(zhì)量通量、壓力和入口溫度對翼型流道PCHE流動(dòng)與換熱的影響。本章模擬的流道內(nèi)的翼型翅片的結(jié)構(gòu)和排列方式和實(shí)驗(yàn)是相同的,模擬工況的壓力為5 MPa、6 MPa、7 MPa、8 MPa,質(zhì)量通量為203-228 kg/m~2s,進(jìn)口初始溫度為103 K。主要對不同工況下超臨界氮的對流換熱系數(shù)、努謝爾特?cái)?shù)和壓降等方面的性能進(jìn)行分析,并提出新的努謝爾特?cái)?shù)和范寧摩擦因子的關(guān)聯(lián)式。模擬結(jié)果顯示,在相同的質(zhì)量流量下,翼型PCHE的平均對流換熱系數(shù)隨著入口壓力的增大而增大。隨著壓力的降低,努謝爾特?cái)?shù)增加的斜率的拐點(diǎn)出現(xiàn)在較大雷諾數(shù)下。不同入口溫度也會(huì)對超臨界氮在翼型PCHE內(nèi)的流動(dòng)換熱產(chǎn)生影響�？紤]到綜合傳熱性能,入口溫度103 K比127K工況,不僅壓力損失較小,而且具有較強(qiáng)的對流換熱性能。在超臨界壓力工況下,Gnielinski和Dittuss-Boelter關(guān)聯(lián)式未能準(zhǔn)確地預(yù)測翼型流道內(nèi)的努謝爾特?cái)?shù)和范寧摩擦系數(shù)。本章提出了新的范寧摩擦系數(shù)與努謝爾特?cái)?shù)的關(guān)聯(lián)式,通過比較和驗(yàn)證,我們發(fā)現(xiàn)新的關(guān)聯(lián)式預(yù)測的努謝爾特?cái)?shù)和范寧摩擦系數(shù)與實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬結(jié)果吻合較好。最后,采用數(shù)值模擬的方法對不同排列方式的翼型流道內(nèi)超臨界氮的熱工水力特性進(jìn)行研究,主要研究了不同垂直距離與交錯(cuò)距離的翼型流道的局部與整體換熱性能。模擬工況的壓力為6 MPa,質(zhì)量通量為227.7 kg/m~2s,進(jìn)口初始溫度為103 K。主要從速度分布、壓力分布、整體對流換熱系數(shù)、努謝爾特?cái)?shù)和壓降等方面對不同翼型翅片排列方式的流道的流動(dòng)特性進(jìn)行分析,并通過綜合性能評價(jià)指標(biāo)(PEC)比較了各種流道的綜合性能。模擬結(jié)果顯示:當(dāng)交錯(cuò)距離從L_s=0 mm增加到L_s=1.2 mm時(shí),速度分布變得越來越均勻。不同翅片布置方式下流道內(nèi)的流速沿流道的增大趨勢相似,流速的增加趨勢越來越陡。此外,壓力降低的幅度沿流動(dòng)方向逐漸增加。適當(dāng)減小兩排翅片之間的垂直距離和減小交錯(cuò)距離可以提高PCHE的對流換熱能力。此外,翅片的完全交錯(cuò)排列以及適當(dāng)增加兩排翅片之間的垂直距離可以減少壓力損失。與L_s=0.6 mm、L_v=1.25 mm,L_s=1.2 mm、L_v=1 mm,L_s=1.2 mm、L_v=0.8 mm的通道相比,L_s=1.2 mm、L_v=1.25 mm的通道的PEC值更高,尤其在雷諾數(shù)較低時(shí),這種現(xiàn)象更明顯。因此,通過完全交錯(cuò)布置以及適當(dāng)減小翅片之間的垂直距離,可以提高翅片的綜合傳熱性能。
【學(xué)位授予單位】：江蘇科技大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號(hào)】：TK172

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