發(fā)布時(shí)間：2020-06-26 14:04

【摘要】：強(qiáng)化換熱器的性能可以有效提高能量轉(zhuǎn)換裝置的能量利用效率,減小換熱器尺寸,提高設(shè)備的緊湊性。現(xiàn)階段穩(wěn)態(tài)單向流動(dòng)下的強(qiáng)化換熱技術(shù)發(fā)展已經(jīng)非常成熟,但斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)和制冷機(jī)等多種能量轉(zhuǎn)換裝置內(nèi)的工質(zhì)處于往復(fù)交變流動(dòng)狀態(tài),工質(zhì)流動(dòng)方向呈周期性變化,流體速度、壓力、溫度、密度等參數(shù)時(shí)刻變化,因此,基于穩(wěn)態(tài)單向流動(dòng)的強(qiáng)化換熱結(jié)論不能直接應(yīng)用于往復(fù)交變流動(dòng)狀態(tài)下的換熱器設(shè)計(jì)。目前,關(guān)于往復(fù)交變流動(dòng)狀態(tài)下的強(qiáng)化換熱研究還十分缺乏。本文通過(guò)三維數(shù)值模擬方法,建立了往復(fù)交變流動(dòng)的物理和數(shù)學(xué)模型,通過(guò)邊界條件的弦函數(shù)設(shè)置實(shí)現(xiàn)了流體速度和壓力的時(shí)刻變化,并實(shí)現(xiàn)了工質(zhì)流動(dòng)方向的周期性逆轉(zhuǎn)。將往復(fù)交變流動(dòng)一個(gè)周期內(nèi)每間隔30°相位角選取一個(gè)瞬態(tài)點(diǎn),對(duì)12個(gè)瞬態(tài)點(diǎn)進(jìn)行穩(wěn)態(tài)單向流動(dòng)數(shù)值模擬計(jì)算,比較瞬態(tài)模擬(基于往復(fù)交變流動(dòng))和穩(wěn)態(tài)模擬(基于穩(wěn)態(tài)單向流動(dòng))兩種方法在換熱與流動(dòng)過(guò)程中的差異。研究發(fā)現(xiàn)瞬態(tài)模擬計(jì)算的某時(shí)刻的換熱情況受此前一段時(shí)間內(nèi)工質(zhì)的流動(dòng)與換熱狀態(tài)影響較大,工質(zhì)的加速與減速運(yùn)動(dòng)對(duì)換熱也有一定程度影響。相對(duì)于穩(wěn)態(tài)模擬,瞬態(tài)模擬計(jì)算的加熱管換熱性能稍弱,壓力消耗較大,平均速度相似,但速度空間分布差異較大。由于加熱管進(jìn)出口壓差變化引起管內(nèi)工質(zhì)流速變化,進(jìn)而引起管壁與工質(zhì)的換熱變化,因此,對(duì)于瞬態(tài)模擬,壓差、速度、換熱的變化分別早于、基本等于、晚于穩(wěn)態(tài)模擬計(jì)算結(jié)果。研究了二頭螺旋波紋管在往復(fù)交變流動(dòng)狀態(tài)下的強(qiáng)化換熱性能,發(fā)現(xiàn)二頭螺旋波紋管內(nèi)的流體在螺旋流道的引導(dǎo)下產(chǎn)生了縱向旋流渦,增強(qiáng)了邊界區(qū)域與核心區(qū)域流體的混合程度,換熱效果顯著提高。二頭螺旋波紋管的吸熱量明顯高于光管,在本文研究的幾何參數(shù)及工況下,兩者平均相差561W,比值為1.36。強(qiáng)化管的流體出口溫度比光管可提升160K,壓力消耗比光管多430Pa,這相對(duì)于加熱管內(nèi)整體1.5?2.5MPa的壓力而言,強(qiáng)化管的額外壓耗代價(jià)很小,但是卻獲得了加熱管出口較大的溫升收益。提出周期內(nèi)瞬態(tài)PEC取平均值和周期內(nèi)參數(shù)平均值計(jì)算PEC兩種方法評(píng)價(jià)了二頭螺紋波紋管相對(duì)于光管的綜合強(qiáng)化換熱能力,計(jì)算結(jié)果分別為1.69和1.38。因此,二頭螺旋波紋管在往復(fù)交變流動(dòng)狀態(tài)下具有很好的強(qiáng)化換熱能力。工質(zhì)受熱膨脹是斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)工質(zhì)往復(fù)交變流動(dòng)的驅(qū)動(dòng)力之一,因此,加熱器的性能對(duì)斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)至關(guān)重要。針對(duì)異型強(qiáng)化換熱管加工困難、對(duì)高溫高壓的耐性減弱等問(wèn)題,提出在斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)加熱管內(nèi)插入螺旋彈簧擾流元件的方法來(lái)提高其吸熱性能。研究發(fā)現(xiàn),內(nèi)插螺旋彈簧強(qiáng)化加熱管內(nèi)存在縱向旋渦,旋渦的大小、數(shù)量以及空間分布隨時(shí)間和空間位置不斷變化。在本文研究的幾何參數(shù)及工況范圍內(nèi),Nu數(shù)、f和PEC值隨著螺旋插入物高度h的增加和螺距p的減小而升高。與p相比,h對(duì)加熱管內(nèi)工質(zhì)的流動(dòng)與換熱特性影響更加顯著。相對(duì)于光管,內(nèi)插螺旋彈簧強(qiáng)化加熱管(p=24mm、h=1.8mm)在采用氫氣、氦氣、氮?dú)夂投趸紴楣べ|(zhì)時(shí),PEC值分別為1.33、1.22、1.21和1.25;流體出口溫度在進(jìn)程階段分別提高了68、64、57和63K,在回程階段分別提高了32、34、40和51K;周期平均壓力消耗分別增加了446、1256、7079和13320Pa。綜合考慮安全性與強(qiáng)化換熱的收益與代價(jià),推薦采用氦氣作為強(qiáng)化管的工質(zhì)氣體。工質(zhì)受冷壓縮是引起斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)工質(zhì)往復(fù)交變流動(dòng)的另一驅(qū)動(dòng)力。通過(guò)在斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻管內(nèi)插入變截距或等截距螺旋線圈的方法來(lái)增強(qiáng)其散熱能力。研究表明,在本文研究的幾何參數(shù)及工況范圍內(nèi),螺旋線圈的螺距越小,冷卻管出口流體平均溫度越低;光管管徑越小、管長(zhǎng)越長(zhǎng),冷卻管出口流體平均溫度越低;在平均截距一定的情況下,變截距與等截距螺旋線圈對(duì)降低加熱管出口流體溫度的效果相差很小。在不同流動(dòng)階段,強(qiáng)化管的進(jìn)出口流體平均溫降是等尺寸光管的1.081?1.54倍。由于冷卻管內(nèi)插入螺旋線圈引起的額外的壓力消耗不高于3956Pa。除了通過(guò)冷卻管工質(zhì)出口溫度的降低幅度以外,另從冷卻管尺寸減小的程度評(píng)價(jià)了強(qiáng)化冷卻管的換熱增強(qiáng)能力。為了達(dá)到與強(qiáng)化管相同的出口流體溫度,在本文研究的工況下,當(dāng)強(qiáng)化管內(nèi)螺旋線圈的螺距為12.5mm時(shí),在相同管徑(5mm)下,光管所需的管長(zhǎng)要比強(qiáng)化管增加一倍以上。在相同管長(zhǎng)(180mm)下,光管所需的管徑要比強(qiáng)化管縮小接近一半,導(dǎo)致光管數(shù)量需增加至強(qiáng)化管的3.7倍。因此內(nèi)插螺旋線圈強(qiáng)化冷卻管可以有效節(jié)約冷卻管耗材,減小成本,提高斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)的緊湊性。
【學(xué)位授予單位】：華中科技大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類(lèi)號(hào)】：TK172
【圖文】：

1 緒論1.1 課題研究背景與意義改革開(kāi)放 40 年以來(lái)，中國(guó)取得了令世界矚目的成就，自 2011 年已經(jīng)成為世界第二大經(jīng)濟(jì)體。但是，伴隨著經(jīng)濟(jì)的快速增長(zhǎng)，能源與環(huán)境問(wèn)題日益突出，嚴(yán)重制約了中國(guó)的可持續(xù)發(fā)展。根據(jù)《中國(guó)統(tǒng)計(jì)年鑒 2018》，自 1978 年以來(lái)，中國(guó)的能源消耗總量逐年上升，尤其是近 20 年，上升速度飛快[1]。自 2009 年以來(lái)，中國(guó)已經(jīng)成為世界上最大的能源消費(fèi)國(guó)[2]。到 2017 年中國(guó)能源消耗總量達(dá)到 449000 萬(wàn)噸標(biāo)準(zhǔn)煤，其中煤炭、石油和天然氣分別占 60.4%，18.8%和 7%[1]，如圖 1-1 所示。由于 富煤缺油少氣‖的特點(diǎn)，中國(guó)已成為世界上最大的石油進(jìn)口國(guó)和第二大天然氣進(jìn)口國(guó)。在可預(yù)見(jiàn)的未來(lái)，中國(guó)對(duì)能源的需求還會(huì)進(jìn)一步增加。

華 中 科 技 大 學(xué) 博 士 學(xué) 位 論 文億噸，占世界 CO2排放總量的 27.6%[4]，如圖 1-2 所示。國(guó)際能源署的調(diào)查數(shù)據(jù)顯示，2017 年全球化石燃料燃燒產(chǎn)生的 CO2年排放量中約三分之一來(lái)自中國(guó)。為減緩碳排放增長(zhǎng)，中國(guó)提出在 2030 年單位國(guó)內(nèi)生產(chǎn)總值（GDP）CO2排放比 2005 年減少60 65%[3]�；剂系倪^(guò)度消耗除了造成 CO2的大量排放，導(dǎo)致全球變暖以外，還會(huì)引發(fā)霧霾、酸雨、重金屬污染等一系列環(huán)境問(wèn)題。

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