工质变物性对印刷电路板式换热器热工水力性能的影响研究毕业论文
2020-02-19 09:02
摘 要
通过超临界二氧化碳（S-CO2）布雷顿循环对船舶主机余热进行回收利用是船舶节能减排的重要途径之一。其中换热器是决定循环系统热效率、成本和紧凑性的核心部件。由于印刷电路板式换热器（PCHE）的效能、紧凑性和安全性较高，被认为是S-CO2布雷顿循环中最具应用前景的换热器形式。为了分析PCHE的热工水力性能，本文设计了四种通道的PCHE，建立其分段法仿真模型，并分别在三种工况下研究工质沿流动方向上的物性变化、流动特性及对换热器整体热工水力性能的影响。
首先，对比对数平均温差法，验证分段法考虑换热器设计中物性参数随温度的变化更为合理。其次考察了PCHE用作预冷器、低温回热器和高温回热器三种不同工况的热工水力性能。结果表明，在热端附近，水的传热能力优于S-CO2的传热能力，在冷端附近S-CO2的传热能力优于水的传热能力。并且较之于直通道高温回热器和低温回热器中的S-CO2与S-CO2换热过程，S-CO2在直通道预冷器S-CO2与H2O的换热过程中表现的传热能力更强。
最后,研究了三种不同夹角度数Z形通道PCHE模型，其夹角度数分别为52°、31.33°、13°。结果表明，当PCHE用作高温回热器时，在横截面相同的情况下，Z形通道计算得到的长度小于直通道并且夹角度数越高、长度越短，换热器的体积就越小，可减小55%~75%左右。同时Z形通道换热器传热系数高于直通道换热器，夹角度数越高，其传热系数就越高。大多数情况下，Z形通道换热器沿长度下的压降高于直通道换热器，其夹角度数越低、长度越长，总压降越高。当物性发生显著变化时，传热系数与普朗特数比雷诺数相关性更高。
本文对工质变物性对PCHE热工水力性能的影响进行了深入研究，为进一步的通道内物性变化的数值计算以及换热器设计提供了参考依据和研究基础。
关键词:印刷电路板式换热器；超临界二氧化碳；变物性；热工水力性能
Abstract
Recycling the waste heat of the ship's main engine through the supercritical carbon dioxide (S-CO2) Brayton cycle is one of the important ways for ship energy conservation and emission reduction. The heat exchanger is the core component that determines the thermal efficiency, cost and compactness of the cycle system. Due to the high efficiency, compactness and safety of printed circuit heat exchangers (PCHE), it is considered to be the most promising form of heat exchanger in the S-CO2 Brayton cycle. In order to analyze the thermal hydraulic performance of PCHE, three kinds of working conditions and four-channel PCHE were designed, and the segmentation method simulation model was established to study the physical properties, flow characteristics and heat exchangers of the working fluid along the flow direction. The impact of overall thermal hydraulic performance.
Firstly, comparing the logarithmic mean temperature difference method, it is verified that the segmentation method considers the change of the physical property parameters with temperature in the heat exchanger design more reasonable. Secondly, the thermal and hydraulic properties of PCHE used as precooler, low temperature regenerator and high temperature regenerator were investigated. The results show that the heat transfer capacity of water is better than that of S-CO2 near the hot end; however, near the cold end, the heat transfer capacity of S-CO2 is better than that of water. And compared with the heat exchange process between S-CO2 and S-CO2 in the straight channel high temperature regenerator and low temperature regenerator, the heat capacity performance of S-CO2 in the heat exchange process between S-CO2 and H2O in the straight channel precooler is better.
Finally, three kinds of Z-channel PCHE models with different angles are studied, and the clamping angles are 52°, 31.33° and 13°, respectively. The results show that when PCHE is used as a high-temperature regenerator, the length calculated by the Z-shaped channel is smaller than that of the straight channel. The higher the clamping angle, the shorter the length, and the smaller the volume of the heat exchanger, which can be reduced by about 55%~75%. At the same time, the heat transfer coefficient of the Z-shaped channel heat exchanger is higher than that of the straight channel heat exchanger, and the higher the clamping angle, the higher the heat transfer coefficient. And in most cases, the pressure drop along the length of the Z-channel heat exchanger is higher than that of the straight channel heat exchanger, and the lower the number of clamping angles, the longer the length and the higher the total pressure drop. When the physical properties change significantly, the heat transfer coefficient and the Prandtl number are more correlated than the Reynolds number.
In this paper, the influence of working fluid properties on the thermal and hydraulic performance of printed circuit heat exchangers is deeply studied, which provides a reference and research basis for the further numerical calculation of the physical properties of the channels and the design of heat exchangers.
Keywords: printed circuit heat exchanger；supercritical carbon dioxide； variable properties；thermal hydraulic performance
目 录
第1章 绪论 1
1.1选题的背景及意义 1
1.2 国内外研究现状 2
1.2.1 S-CO2布雷顿循环对船舶主机余热进行回收利用发展研究现状 2
1.2.2 PCHE热工水力性能发展研究现状 3
1.3 研究内容 4
第2章 换热器 5
2.1 印刷电路板换热器结构 5
2.2 换热器工况设计 6
2.3 超临界二氧化碳流体物性 7
2.4 换热器理论及设计 10
2.4.1 传热学基础理论 10
2.4.2 换热器设计方法 10
2.4.3 无量纲数 12
2.5 本章小结 13
第3章 印刷电路板式换热器MATLAB建模 14
3.1 传热和压降模型建立 14
3.2 换热器材料 16
3.3 换热器参数设计 17
3.3.1 直通道结构和参数 17
3.3.2 Z形通道结构和参数 17
3.4 MATLAB分段法模型建立 18
3.5 本章小结 20
第4章 印刷电路板换热器MATLAB仿真分析 21
4.1 LMTD法和分段法仿真模型对比 21
4.2 直通道三种工况下的热工水力性能对比 23
4.3 不同通道类型PCHE热工水力性能对比 28
4.4 本章小结 35
第5章 总结与展望 36
5.1 总结 36
5.2 展望 37
参考文献 38
致谢 41
第1章 绪论
1.1选题的背景及意义
当前，随着社会生产力的进步，人类面临的化石燃料枯竭及环境污染问题越来越严重。全球有超过90％的货物由船舶运输，其中温室气体（GHG）排放和化石燃料消耗是航运业的两个关键问题。为了降低在国际航运中温室气体排放和不断增加的化石燃料需求，在过去几年中，国际海事组织（IMO）已提出航运业能源效率和温室气体排放严格的规定。随着新船能效设计指数(EEDI)的实施，船舶污染问题再次成为社会密切关注的热点话题。EEDI的设立是为了在未来船舶上建立一个最低能源效率的标准，其主要对新船的碳排放提出明确要求。因此，未来船舶迫切需要提高航运能效和减少温室气体排放。
目前，由于关于废气排放的国际和国家法律要求变得更加严格以及人们对环境保护的不断重视，使得航运业必须朝着更高的能源效率和更低的污染物排放的方向发展。同时航运公司也面临着淘汰旧船，优化容量结构和适应市场需求的挑战。鉴于日益严格的排放法规和EEDI，新型运输船满足低能耗和低污染的要求尤为重要。因此船舶余热利用的开发、应用和推广将具有深远的市场机遇。
通过超临界二氧化碳（S-CO2）布雷顿循环对船舶主机余热进行回收利用成为了船舶节能减排的重要途径。S-CO2布雷顿循环由于其在中温下热效率高、简单、紧凑，相比于当前大规模使用蒸汽动力循环，其被普遍认为在未来核电技术领域有良好的应用前景[1]。S-CO2的临界压力适中、稳定性好、偏惰性、无毒、储量丰富、成本低，因此被认为是布雷顿循环最佳运行工质[2]。S-CO2工质的最大优势在于节省压缩功耗，相比于氦气等理想气体工质，S-CO2循环气体涡轮机械重量约为原来的五分之一，同时使涡轮机和换热器结构更加紧凑[3]。
换热器是S-CO2布雷顿循环中体积最大的设备[1]。但船舶机舱的空间有限，多数情况下需要选用体积小、换热效率高、功率密度大的紧凑式换热器。考虑到该系统热负荷大，温度高，常规的管壳式换热器因换热效率低，而需要更大的体积而不能适用。因此，有必要研发高效紧凑式换热器。由英国Heatric公司生产的印刷电路板式换热器(PCHE)是一种传热性能优良的紧凑式换热器[4]，如图1.1所示。
图1.1 PCHE芯体示意图[5]
在中温工况下，PCHE能够满足余热回收过程中体积小、效率高等要求，这使得以S-CO2用作布雷顿循环中的运行工质将PCHE用于船舶主机余热进行回收利用成为可能。
1.2 国内外研究现状
1.2.1 S-CO2布雷顿循环对船舶主机余热进行回收利用发展研究现状
麻省理工学院Combs[6]在70年代以燃气轮机为主推进的佩里级（FFG7）护卫舰为研究对象，对船用S-CO2循环系统进行了热力学分析，测量了循环组件对船舶性能的预期增益的影响。结论表明如果节约燃料和资源管理成为船舶设计理念的主导力量，只要风险和开发成本等因素得到适当控制，船舶设计师就可以考虑使用该循环系统。美国EPS公司以工业级S-CO2作为循环工作介质设计了一个简单的回热循环废气余热回收系统EPS100，当热源温度为532°C时，效率可达到24％[7]。Moroz[8]等研究了S-CO2和传统蒸汽循环对53.26MW船用燃气轮机余热回收的性能，并报告了一些重要的观测结果，如使用S-CO2再压缩循环，发现燃气轮机的净功率增加了约30％，而在蒸汽循环的情况下增加只有26％左右。Bella[9]分别分析了带有和不带再加热功能的S-CO2布雷顿循环，用于装有热电发电机（TEG）的船载燃气轮机的余热回收。并报告了功率提高了22％和燃料节省了13％。然而，由于成本高，效率低的限制，TEG系统的实际可行性仍有巨大挑战，需要在此方面开展更多的研究工作。Sharma等[10]同样介绍了S-CO２布雷顿再压缩循环系统在船舶上的应用。结果表明，再压缩循环比简单回热循环整体效率提高了10%，同时净功率增加到额定功率的25%。Marron[11]基于生命周期成本及其对船上机械布置的影响，评估了简单和联合循环发动机与废热回收系统的可行性。他还提出了一种由废气废热驱动的蒸汽循环用作底循环以产生动力的系统。然而，由于组件的尺寸和重量较大，重要部件的维护也较高等限制了其在海军舰艇中的应用。上海交通大学Hou等[12]提出了一种联合循环耦合了S-CO2再压缩循环系统和简单回热循环系统用于船用燃气轮机的余热回收。结果表明，当船舶满负荷运行时，所提出的S-CO2组合循环可以将热效率提高12.38％。而且，随着运行负荷的减少，热效率的提高也在增加。因此，新的联合系统可以有效地提高船舶的部分负荷性能和经济性。
1.2.2 PCHE热工水力性能发展研究现状
PCHE换热通道历经多年发展，有的通道类型具有良好的传热率，而其他类型可能具有较少的扰动。流动通道的径向轮廓可以是矩形或半圆形。对于轴向轮廓，它具有多种变化，例如直通道，Z形，S形和翼型等，每种类型都有自己的特点[13]。因此，一些科研人员更关注在不同通道结构的换热器内部热工水力性能方面的问题。Nikitin[14]等人对S-CO2在传统的Z字形波纹通道PCHE热工水力性能进行了实验研究，针对已经测试的PCHE提出了预测雷诺数与局部传热系数和压降系数经验相关系式。Ngo[15]等人将具有S型翅片的新型PCHE用于热水器，用CFD模拟了CO2侧和H2O侧的翅片和板的配置，并评估了此热水器的性能。结果表明与目前用于住宅热泵的热水器相比，新型PCHE的尺寸减少了约3.3倍，在压降方面相比之下CO2侧降低37％，H2O侧降低10倍。Kim[1]等人设计了一种配置有翼型翅片（型号为NACA0020）的新型PCHE内的热工水力性能。仿真结果表明，翼型翅片PCHE可以抑制分离流的产生，所以压降只有具有相同传热性能传统Z字形PCHE的5%。Pra[16]等在空气测试环路上对PCHE进行了测试，将高温反应堆的温度设为工作温度。结果表明，流道之间的流量分布不均和纵向壁面热传导会直接降低换热器的效率。Tsuzuki[17]等人提出了一种安装有不连续翅片S形结构的新型PCHE，通过数值模拟计算分析了其热工水力性能。在夹角均为52°且换热性能相同的情况下，新型通道结构的换热器压降是传统Z形结构的1/5，而压降的减小是得益于均匀的流速分布和拐角处周围涡流和回流的消除。Guo[18]通过分段法研究了固定热负荷和总热导率下PCHE的局部和整体传热性能。结果表明，物性的急剧变化对换热器的性能有重要影响，在设计S-CO2换热器时必须仔细考虑设计参数，以避免温度交叉，提高其性能。Ke[19]利用LMTD和分段方法模拟了直流道PCHE中的传热特性和压降。结果表明，由于S-CO2具有显著的物性变化，LMTD不适合PCHE计算，而分段方法可以获得更可靠的结果。
综上所述，通过S-CO2布雷顿循环对船舶主机余热进行回收利用在全球范围内属于比较前沿的方向，PCHE所具有的换热效率高、体积小、功率密度大等特点已成为相关研究人员的共识，但是其中S-CO2显著的物性变化会对换热器的设计以及其热工水力性能的分析产生影响。目前相关的理论基础与工程案例比较少。
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