印刷板式換熱器強(qiáng)化換熱理論分析與實(shí)驗(yàn)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(guó)內(nèi)外眾多學(xué)者的研究重點(diǎn)。其內(nèi)部微細(xì)流道內(nèi)的復(fù)雜對(duì)流換熱過(guò)程是研究PCHE換熱性能的關(guān)鍵，但是目前國(guó)內(nèi)對(duì)該類換熱器強(qiáng)化換熱技術(shù)的研究十分缺乏。本文采用理論分析與實(shí)驗(yàn)研究相結(jié)合的方法，以超臨界LNG為工作介質(zhì)，對(duì)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(xì)流道內(nèi)的流動(dòng)與換熱特性進(jìn)行了深入細(xì)致的分析與研究，探究PCHE流道內(nèi)強(qiáng)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(shí)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(xì)流道為研究對(duì)象，運(yùn)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(xì)流道內(nèi)的流動(dòng)與換熱特性。研究參數(shù)包括各個(gè)工況對(duì)流換熱過(guò)程中的工質(zhì)的溫度、速度、對(duì)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(huì)使對(duì)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(duì)流換熱能力隨著流道彎曲角度的增加而增大，但同時(shí)也會(huì)帶來(lái)壓降不同程度的增加。通過(guò)綜合比較對(duì)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(dòng)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(huì)帶來(lái)較大的壓力損失，但是其對(duì)流換熱能力的增加更占優(yōu)勢(shì)。因此在本文研究范圍內(nèi)，質(zhì)量通量較大時(shí)，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(dòng)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(duì)其對(duì)流換熱的強(qiáng)化作用。通過(guò)對(duì)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(dòng)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(yuǎn)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(dá)到51.07％，最小為46.2%，說(shuō)明在流道內(nèi)加入翼形翅片可達(dá)到明顯的強(qiáng)化換熱效果。在此基礎(chǔ)上還對(duì)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(dòng)與換熱特性進(jìn)行了研究。計(jì)算結(jié)果顯示，翅片交錯(cuò)布置更有利于傳熱的進(jìn)行以及形成更均勻的流場(chǎng)，且翅片間的交錯(cuò)距離Ls越大工作介質(zhì)的綜合流動(dòng)換熱性能越好。此外，對(duì)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(guò)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(qiáng)。因此，超臨界LNG在翼形翅片交錯(cuò)稀疏布置的流道內(nèi)具有更好的流動(dòng)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(jì)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(shí)驗(yàn)平臺(tái)?？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(shí)驗(yàn)系統(tǒng)選取超臨界氮代替超臨界LNG。實(shí)驗(yàn)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(qiáng)度越強(qiáng)，更有利于傳熱，但同時(shí)也會(huì)帶來(lái)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(dá)98%左右，說(shuō)明該換熱器可在超高壓超低溫