高压氢气预冷紧凑式换热器流动与传热特性研究
氢能作为一种来源丰富、清洁、高效的可再生能源，正逐步成为实现“碳达峰、碳中和”的重要途径。换热器是加氢预冷过程中的关键设备,为了减小体积，提高换热效率，同时承受高压低温的环境，一种新型的紧凑式换热器一印刷电路板式换热器(Printed Circuit Heat Exchanger,P CHE),在加氢预冷领域的应用前景广阔。研究高压氢气在半圆形截面Z igzag通道PCHE内的流动与传热特性，对PCHE在加氢预冷领域的工程实际应用具有重要意义。 首先，本文使用标准k-ε模型，利用CFD软件——Fluent开展数值模拟计算，利用REFPROP获得高压氢气的热物性，使用文献结果验证了所选数值计算方法的可靠性。之后开展了不同通道几何参数(转折角、通道节距)对高压氢气在Zigzag通道内流动与传热特性影响规律的研究。研究结果表明:Zigzag通道的转折角度越大，高压氢气的湍流动能越大,冷热流体的热量交换也越大。Zigzag通道的节距越小，高压氢气沿流动方向发生转折的次数越频繁，高压氢气的流动阻力和对流换热系数越大,压力损失越大。对于Zigzag通道而言，通道转折角的大小对高压氢气流动与传热的影响相比较于通道节距的影响更加明显。水力和热工性能是影响换热器设计的重要因素，因此使用综合热性能系数TPF分析不同几何参数Zigzag通道的综合水力热工性能，从而确定了本文所选范围内的半圆形截面Zigzag通道的最佳几何参数，通道转折角度10°,通道节距15mm,通道直径2mm。 其次，针对于确定的最优结构通道模型，开展不同热工参数(质量流量、入口温度、压力)对高压氢气在Zigzag通道PCHE流动与传热特性影响规律的研究。研究结果表明，质量流量和入口温度越大，高压氢气的流动损失和热量损失越大。入口压力越高，流动损失越小。 最后，基于数值计算建立的模拟数据库，建立了高压氢气在半圆形截面Zigzag通道内流动与传热的关联式，实现了对努塞尔数与摩擦因子的预测，从而为PCHE设计提供参考。
高压氢气;印刷电路板式换热器;Zigzag通道;流动特性;传热特性
北京化工大学
硕士
机械
陈学东;徐双庆
2023
中文
TQ116.2
2023-09-27（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）