本文關鍵詞：有機朗肯循環(huán)中納米有機工質傳熱機理及應用研究　出處：《昆明理工大學》2017年博士論文　論文類型：學位論文

  更多相關文章： 有機朗肯循環(huán) 納米流體 強化傳熱 導熱系數(shù) 池沸騰 流動沸騰

【摘要】：我國冶金行業(yè)在高能耗的背后蘊藏著大量的中低溫余熱資源,對這部分余熱資源進行高效地回收利用,是節(jié)能減排的重要環(huán)節(jié)。有機朗肯循環(huán)(Organic Rankine Cycle,ORC)是目前諸多中低溫余熱回收技術中最有效且較為成熟的技術,但由于有機工質的導熱系數(shù)、普朗特數(shù)較低,導致ORC系統(tǒng)的熱端及冷端換熱設備龐大、造價較高,在很大程度上降低了系統(tǒng)的技術經(jīng)濟性能。國內(nèi)外相關研究表明以一定的方式和比例將納米顆粒分散到流體中,制備得到穩(wěn)定、均勻的"納米流體",可有效提高流體傳熱性能。納米有機工質是一種以有機工質為基液的納米流體,若將其應用于ORC系統(tǒng),則有望提高系統(tǒng)傳熱效率和整體性能。本文通過理論分析和實驗相結合的手段,依次對納米流體(有機工質)的導熱特性、池沸騰傳熱機理和流動沸騰傳熱特性進行研究,建立預測納米流體傳熱和流動特性的數(shù)學模型,為納米有機工質的優(yōu)選提供依據(jù)。在此基礎上,對應用納米有機工質的ORC系統(tǒng)進行一定程度的探索性研究。本文的主要研究內(nèi)容如下:(1)在綜合考慮納米顆粒/團聚體導熱、液體分子吸附層、顆粒團聚和布朗運動引起微對流的基礎上,以顆粒在納米流體中的團聚體尺寸為計算參數(shù),建立了計算水基、乙二醇基納米流體和納米有機工質有效導熱系數(shù)的數(shù)學模型;通過與文獻中實驗數(shù)據(jù)以及相關導熱模型的計算結果進行比較,發(fā)現(xiàn)該模型具有較好的精確性與適用性;基于該模型分析了顆粒濃度、流體溫度、吸附層厚度、團聚體尺寸和團聚體分維數(shù)等因素對納米流體有效導熱系數(shù)的影響。(2)以壁面熱通量拆分模型為基礎,考察了若干個常用的氣泡動力學參數(shù)關聯(lián)式對納米流體池沸騰傳熱系數(shù)的預測能力,發(fā)現(xiàn)上述關聯(lián)式局限性較大;通過對沸騰加熱面上孔穴尺寸分布的分形描述,建立了適用于預測水基納米流體和納米有機工質池沸騰傳熱系數(shù)的分形模型;在驗證了模型精度的基礎上,探討了壁面過熱度、分維數(shù)、接觸角和流體熱物性對納米流體池沸騰傳熱特性的影響;基于該模型從加熱面接觸角和流體熱物性兩方面揭示了添加納米顆粒對不同種類流體的影響規(guī)律:對于水基納米流體,顆粒沉積導致加熱面上固液接觸角降低,加熱面上活化核心數(shù)量減少,氣泡影響區(qū)比例下降,當接觸角的降低程度超過納米顆粒增強流體導熱系數(shù)的幅度時,水基納米流體傳熱惡化;對于納米有機工質,由于工質的潤濕性較強,顆粒沉積對接觸角的影響甚微,沸騰傳熱系數(shù)隨顆粒濃度的增加而增大,傳熱性能的強化主要源于納米顆粒提高有機工質的導熱系數(shù)。(3)搭建了納米有機工質管內(nèi)流動沸騰傳熱測試平臺,制備了體積濃度分別為 0.02%,0.05%和 0.2%的 MWCNTs-R123 納米有機工質;對 MWCNTs-R123納米有機工質在水平管內(nèi)流動沸騰時的傳熱及摩擦壓降特性進行實驗研究,考察了顆粒體積濃度、有機工質的干度和質流密度對傳熱性能及摩擦壓降的影響;對MWCNTs-R123納米有機工質在等流量、等壓降和等泵功約束條件下的綜合性能進行評價;基于實驗數(shù)據(jù)建立了預測納米有機工質管內(nèi)流動沸騰傳熱系數(shù)和摩擦壓降的關聯(lián)式,結果表明:添加MWCNTs納米顆粒同時提高了有機工質R123的傳熱系數(shù)和壓降,傳熱系數(shù)增幅大于壓降增幅;MWCNTs-R123納米有機工質的傳熱系數(shù)較純R123最多可提高27.1%;納米有機工質傳熱系數(shù)及壓降的增幅隨質流密度的增加而逐漸降低;所建立的納米有機工質流動沸騰傳熱系數(shù)模型計算值與實驗值偏差在±15%以內(nèi),精度滿足傳熱計算要求;通過對現(xiàn)有兩相流摩擦壓降關聯(lián)式預測精度進行比較,發(fā)現(xiàn)Muuller-Steinhagenand Heck公式的預測值與實驗結果偏差13.07%,預測精度滿足使用納米有機工質的ORC系統(tǒng)設計計算的要求。(4)基于傳熱學、熱力學和流體力學聯(lián)合分析方法,在建立ORC系統(tǒng)模型的基礎上,重點研究納米有機工質在ORC系統(tǒng)蒸發(fā)器中的熱力特性,考察了顆粒種類與濃度、工質流量對有機工質側傳熱系數(shù)、蒸發(fā)器總傳熱系數(shù)、蒸發(fā)器效能、壓降、泵功、系統(tǒng)單位凈輸出功率所需傳熱面積及不可逆損失的影響,采用無量綱熵產(chǎn)數(shù)Ns及納米熵產(chǎn)影響因子Fs定量探討了蒸發(fā)器不可逆損失隨工質流量和顆粒濃度的變化規(guī)律。結果顯示:在采用不同種類納米顆粒制備的納米有機工質中,MWCNTs-R123綜合性能較好;低顆粒濃度下(0.3vol.%),納米顆粒對有機工質傳熱性能的強化作用較為顯著;進一步增加顆粒濃度,顆粒對工質傳熱性能的強化幅度降低,對壓降的提升作用明顯,導致?lián)Q熱器綜合性能指標隨顆粒濃度呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢;蒸發(fā)器總熵產(chǎn)隨流量先減小后增大,各顆粒濃度下存在一個最佳流量(540kg/h)使蒸發(fā)器總熵產(chǎn)最低,顆粒濃度在這一流量前后對熵產(chǎn)的影響作用不同。
【學位授予單位】：昆明理工大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2017
【分類號】：TK115;TB383.1

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