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)領域中逐漸得到重視和應用，因此如何提高PCHE的換熱性自然能成為國內外眾多學者的研究重點。其內部微細流道內的復雜對流換熱過程是研究PCHE換熱性能的關鍵，但是目前國內對該類換熱器強化換熱技術的研究十分缺乏。本文采用理論分析與實驗研究相結合的方法，以超臨界LNG為工作介質，對該介質在PCHE內不同流道形狀以及不同

2、幾何結構的微細流道內的流動與換熱特性進行了深入細致的分析與研究，探究PCHE流道內強化換熱的方法。因此本課題的研究具有重要的理論和現實意義。
　　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，運用數值分析技術手段研究了不同質量通量條件下的超臨界LNG在微細流道內的流動與換熱特性。研究參數包括各個工況對流換熱過程中的工質的溫度、速度、對流換熱系數h、Nu數以及壓降的變化。研究結果表明：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和壓降，發(fā)現超臨界LNG在彎曲角度為15°的流道內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，質量通量較大時，超臨界LNG在不同彎曲角

4、度的流道內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的流動與換熱性能可知，在相同質量流量條件下，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%，說明在流道內加入翼形翅片可達到明顯的強化換熱效果。在此基礎上還對超臨界LNG在不同翼形翅片的布置

5、形式的流道內的流動與換熱特性進行了研究。計算結果顯示，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越大工作介質的綜合流動換熱性能越好。此外，對流換熱系數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具有更好的流動與換熱特性。
　　最后，在理論分

6、析和數值模擬的基礎上，設計和搭建了以翼形PCHE為核心換熱設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，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。實驗結果表明：系統(tǒng)壓力越小，超臨界氮在翼形PCHE內的湍流強度越強，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的總傳熱系數在850～2600W/m2K范圍內變化，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