印刷板式換熱器強化換熱理論分析與實驗研究.pdf

1、印刷板式換熱器（Printed circuit heat exchanger，PCHE）作為一種高效緊湊的新型微通道換熱器在工業(yè)領(lǐng)域中逐漸得到重視和應(yīng)用，因此如何提高PCHE的換熱性自然能成為國內(nèi)外眾多學者的研究重點。其內(nèi)部微細流道內(nèi)的復(fù)雜對流換熱過程是研究PCHE換熱性能的關(guān)鍵，但是目前國內(nèi)對該類換熱器強化換熱技術(shù)的研究十分缺乏。本文采用理論分析與實驗研究相結(jié)合的方法，以超臨界LNG為工作介質(zhì)，對該介質(zhì)在PCHE內(nèi)不同流道形狀以及不同

2、幾何結(jié)構(gòu)的微細流道內(nèi)的流動與換熱特性進行了深入細致的分析與研究，探究PCHE流道內(nèi)強化換熱的方法。因此本課題的研究具有重要的理論和現(xiàn)實意義。
　　本文首先以直徑為1.5 mm且彎曲角度不同（θ=0°～45°）的半圓形微細流道為研究對象，運用數(shù)值分析技術(shù)手段研究了不同質(zhì)量通量條件下的超臨界LNG在微細流道內(nèi)的流動與換熱特性。研究參數(shù)包括各個工況對流換熱過程中的工質(zhì)的溫度、速度、對流換熱系數(shù)h、Nu數(shù)以及壓降的變化。研究結(jié)果表明：與直

3、流道相比，流道的周期性彎曲會使對流換熱能力明顯提高。在其他條件均一致的條件下，超臨界LNG的對流換熱能力隨著流道彎曲角度的增加而增大，但同時也會帶來壓降不同程度的增加。通過綜合比較對流換熱系數(shù)和壓降，發(fā)現(xiàn)超臨界LNG在彎曲角度為15°的流道內(nèi)具有較佳的綜合流動與換熱特性。而在流道彎曲角度不變的條件下，質(zhì)量流量的增加雖然也會帶來較大的壓力損失，但是其對流換熱能力的增加更占優(yōu)勢。因此在本文研究范圍內(nèi)，質(zhì)量通量較大時，超臨界LNG在不同彎曲角

4、度的流道內(nèi)表征出較好的綜合流動換熱特性。
　　其次，研究了在傳統(tǒng)PCHE流道內(nèi)加入翼形翅片對其對流換熱的強化作用。通過對比超臨界LNG在水力直徑相同的直流道和翼形翅片流道內(nèi)的流動與換熱性能可知，在相同質(zhì)量流量條件下，直流道的Nu/Eu值遠小于加入翼形翅片的流道。隨著質(zhì)量流量的變化，二者之間的差異最大可達到51.07％，最小為46.2%，說明在流道內(nèi)加入翼形翅片可達到明顯的強化換熱效果。在此基礎(chǔ)上還對超臨界LNG在不同翼形翅片的布置

5、形式的流道內(nèi)的流動與換熱特性進行了研究。計算結(jié)果顯示，翅片交錯布置更有利于傳熱的進行以及形成更均勻的流場，且翅片間的交錯距離Ls越大工作介質(zhì)的綜合流動換熱性能越好。此外，對流換熱系數(shù)h隨著翼形翅片間的垂直距離Lv的減小而增大，但是壓降也隨之大幅度增加。通過比較Nu與Eu的比值，發(fā)現(xiàn)翅片間的垂直距離 Lv越大超臨界LNG的綜合換熱能力越強。因此，超臨界LNG在翼形翅片交錯稀疏布置的流道內(nèi)具有更好的流動與換熱特性。
　　最后，在理論分

6、析和數(shù)值模擬的基礎(chǔ)上，設(shè)計和搭建了以翼形PCHE為核心換熱設(shè)備的低溫高壓汽化系統(tǒng)實驗平臺?？紤]到LNG具有易燃易爆的物理性質(zhì)，出于安全性等因素考慮，本實驗系統(tǒng)選取超臨界氮代替超臨界LNG。實驗結(jié)果表明：系統(tǒng)壓力越小，超臨界氮在翼形PCHE內(nèi)的湍流強度越強，更有利于傳熱，但同時也會帶來較大的壓降。在不同的壓力條件下，翼形PCHE的總傳熱系數(shù)在850～2600W/m2K范圍內(nèi)變化，且其傳熱效能最高可達98%左右，說明該換熱器可在超高壓超低溫