隨著設(shè)計方法及制造工藝的不斷提高,近年來印刷板式換熱器以其體積小,換熱效率高的優(yōu)勢得到各行業(yè)的廣泛關(guān)注和認(rèn)可,尤其在航空航天,船舶工程和石油化工等領(lǐng)域均有很大的應(yīng)用前景。本文以印刷板式換熱器為研究對象,基于氣熱耦合數(shù)值模擬方法,對海水與天然氣之間的流動和換熱特性進行了數(shù)值研究,包括不同換熱通道幾何尺寸和匹配方式對溫度、壓力和密度等參數(shù)的影響規(guī)律,換熱器內(nèi)部各區(qū)域的溫度和壓力分布規(guī)律,并在此基礎(chǔ)上對印刷板式換熱器結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化。主要創(chuàng)新點包括,通過考慮真實天然氣密度、比熱和粘性等物性參數(shù)隨溫度的變化,更精確模擬管道內(nèi)流動與傳熱過程;基于數(shù)值仿真方法,獲得一種真實的印刷板式換熱器的總壓恢復(fù)系數(shù)和溫度特性的變化曲線,得到了較優(yōu)的換熱管路結(jié)構(gòu)參數(shù),并且通過將實驗數(shù)據(jù)與數(shù)值模擬結(jié)果對比,驗證了計算方法及設(shè)計結(jié)果的可靠性,為印刷板式換熱器結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計奠定了基礎(chǔ)。具體研究成果如下:研究表明降低流速可以提高印刷板式換熱器管內(nèi)流體與外界的熱交換能力,并可降低總壓損失,減少相應(yīng)的泵功,同時可降低換熱管強度要求。而換熱管彎角的減小使得相同長度內(nèi)換熱面積增大,同時隨著換熱管的周期性彎曲,主流流體和附面層流體之間的相互摻混增強,因此也增強了換熱能力。而隨著管壁粗糙度的增加,管道換熱能力增強,但流體與管道的摩擦力增大,總壓恢復(fù)系數(shù)降低,當(dāng)粗糙度為12.5μm時,總壓恢復(fù)系數(shù)較光管降低10%左右。由于冷卻介質(zhì)流量隨著換熱管直徑增加而增多,換熱能力也隨管道直徑增加而增強。通過A、B、C三種管道與不同流速匹配方式的研究得出,所有方案均能滿足設(shè)計的換熱要求,且天然氣進出口溫度下降較設(shè)計值增加約5%,但由于方案A水流進口速度較大,其海水管道壓損可達(dá)318540Pa,而在后兩種方案中,降低海水流速后壓損為88180Pa,滿足設(shè)計壓損低于1bar的要求。從管道內(nèi)部換熱特性來看,天然氣和海水的換熱主要集中在天然氣進口至50%管道長度內(nèi),該區(qū)域內(nèi)天然氣溫度下降可到80K以上,而后半段溫度下降不足30K。通過減小天然氣管道直徑,可有效減小設(shè)備高度,當(dāng)管道直徑由2mm下降至1.5mm時,雖然天然氣管道內(nèi)壓降略有提高,但換熱能力和壓降均滿足設(shè)計要求。綜合考慮換熱與壓降要求,該方案是本設(shè)計中的最優(yōu)方案。
【學(xué)位單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位年份】：2019
【中圖分類】：TK172;TK124
【部分圖文】：

哈爾濱工業(yè)大學(xué)工程碩士學(xué)位論文大的表面積，可以簡單地通過增加或減少板的數(shù)量修改為不同的需熱性能優(yōu)于其他類型換熱器，運行成本有競爭力[ 7]。有了這些優(yōu)點技術(shù)的進步，以新的耐高溫和耐壓力材料制成的墊圈或石墨板，現(xiàn)這種類型的熱交換器用于更多的動力裝置和化學(xué)過程。板式換熱器的結(jié)構(gòu)[ 8]較其他類型的換熱器簡單的多，其主體結(jié)構(gòu)是平行的薄金屬板即“板片”疊加在一起構(gòu)成，一般板片上設(shè)計成波紋板式換熱器的核心部件，其設(shè)計的好壞直接影響到整個換熱器的換換熱板片，板式換熱器的部件還有支柱、上/下導(dǎo)桿、橡膠板、密/螺栓等，具體結(jié)構(gòu)和部件在圖 1-1 中給出。換熱器板片被固定住器模型，工質(zhì)在板片間流道內(nèi)流動，換熱流體即高溫流體和低溫流開，完成熱量交換。圖 1-2 所示的原理圖即指出了板式換熱器的換

板式換熱器的部件還有支柱、上/下導(dǎo)桿、橡膠板、密封母/螺栓等，具體結(jié)構(gòu)和部件在圖 1-1 中給出。換熱器板片被固定住后熱器模型，工質(zhì)在板片間流道內(nèi)流動，換熱流體即高溫流體和低溫流體錯開，完成熱量交換。圖 1-2 所示的原理圖即指出了板式換熱器的換熱原圖 1-1 板式換熱器組成部分[8]

—表示的是系統(tǒng)內(nèi)涉及內(nèi)能變化的工質(zhì)的比熱矩陣；——表示的是系統(tǒng)單元各節(jié)點上的溫度向量；——表示溫度的時間導(dǎo)數(shù)；——表示系統(tǒng)單元各節(jié)點上節(jié)點的熱量流率。格無關(guān)性及湍流模型驗證驗證計算方法的可靠性，開展了不同計算網(wǎng)格以及三種不同湍流一方程 S-A 模型以及兩方程 k-ε 和 SST 湍流模型）的單通道換究。研究對象如圖 2-3 所示，其中管道長度為 600mm，直徑為 2部有 10 個彎曲段，彎曲段長度為 50mm，彎曲段角度為 140°。 6.2m/s，進口溫度 301.15K，管壁溫度為 414.35K，出口壓a。了 5 種網(wǎng)格條件下對管道流動特性的影響，網(wǎng)格數(shù)見表 2-1 所示道橫截面網(wǎng)格對比如圖 2-4 所示，采用混合網(wǎng)格，對壁面附近的部加密。
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本文編號：2869219