低温透平膨胀机的热力参数计算及数值模拟校核北大核心

针对某液化装置用一级透平膨胀机进行一维热力参数设计计算并使用商业软件ANSYS进行三维数值模拟的校核。计算表明,一维设计所得结果具有一定准确性。三维校核过程中,分别使用理想气体、PR方程以及He Pak三种不同的氦气体工质物性库,三者对工质密度计算的数据存在较大差别,且压力越大差别越大;喷嘴叶片表面压力分布差别较小,温度分布差别较大;工作轮叶片表面压力分布在前缘处有一定差别,尾缘处变化曲线基本重合,温度分布同样差别较大。此次模拟校核表明,理想气体物性库与实际气体物性库的结果存在一定偏差,故对于小型低温透平膨胀机而言,即便温区在20K以上,也应使用实际气体物性库对其进行数值模拟。     

基于板式换热器的天然气冷却模拟与实验研究

结合实际工程项目,针对某新型天然气冷箱液化流程中的三台钎焊板式换热器,采用双通道耦合换热模型,以分段线性插值法计算天然气物性,基于FLUENT软件进行了天然气冷却换热过程的CFD数值模拟仿真,并开展了该新型冷箱的实验测试研究。将数值模拟计算结果与HSYSY工艺流程设计值以及实验测试结果进行对比。结果表明,数值模拟计算结果与HSYSY设计值平均误差为4.94%,证明了采用CFD数值模拟方法对HYSYS工艺流程设计与设备选型进行校核具有一定的参考价值。数值模拟计算结果与实验测试结果平均误差为7.78%,证明了数值模拟仿真所采用的简化假设、换热模型以及求解方法对于板式换热器天然气冷却换热过程是合理的。     

分子模拟预测制冷剂热物性研究

分子模拟在预测制冷剂流体热物性方面的应用发展至今已有三种方法:分子动力学(MD)和蒙特卡罗(MC)和基于量子化学的COSMO-RS法。分子模拟方法计算物质的热物性仅依赖于物质的分子性质,因而可先于试验预测其热物性质,尤其可方便地解决混合物质的热物性计算,是预测制冷工质热物性的一种精确、有效的方法。本文综合论述了采用分子模拟方法对已知、未知制冷纯工质、混合工质的汽液相平衡时饱和蒸汽压、密度、焓等参数的模拟结果。模拟结果证明,分子模拟的结果与Refprop 8.0或实验值相比较,最大相对误差在20%以内,基本能满足工程需要,因此可以用来预测制冷剂流体的热物性。     

一种基团贡献法的非共沸工质气液相平衡模型

本文引入一种基于基团贡献的逸度系数模型来解决常规模型对非共沸混合制冷剂气液相平衡预测精度不足的问题,该模型只使用较少的共性基团参数就能推算大量多元混合物的物性.使用PR状态方程结合vdW混合规则来描述气相逸度、UNI-FAC模型来描述液相逸度.通过对R32+R236fa非共沸混合工质对的气液相平衡饱和蒸汽压力进行计算,并将结果与实验数据、REFPROP 8.0商业软件计算值对比分析.结果 表明:本文模型比REFPROPS.0软件更适应于混合工质;此外,该模型只考虑基团间相互作用,简化了热物性计算.基于提出的模型,绘制了R32+R236fa非共沸混合工质在278.15～363.15 K的相图.     

相变换热系统的能量流模型及其应用

工质在换热过程中发生相变时,其物性参数将发生剧烈变化,增大了换热系统性能分析和优化的复杂度。本文以顺流、逆流和叉流三种典型换热器为研究对象,在考虑工质发生相变的前提下,构建了与其对应的等效热阻网络图(能量流模型),获得了换热器的换热量与结构/运行参数以及工质物性间的直接物理联系。以此为基础,对于含相变工质的换热系统,通过构建其整体能量流模型,结合基尔霍夫电压、电流定律明确了系统中各独立设计参数间的整体约束关系,并应用拉格朗日乘子法实现了相变换热系统的性能优化。     

水平管油水两相分层紊流流动的数值研究

采用VOF模型对水平管油水两相分层流动进行了数值模拟,分析了两相表观速度以及粘度、密度等物性参数对截面相含率和压降的影响,计算结果表明:截面相含率主要由两相表观速度比决定,受粘度和密度等物性参数的影响较小;而压降受两相表观速度和物性参数的影响都较大。     

基于新物性库的低温回热器REGEN模拟

REGEN程序是用于回热式低温制冷机中回热器部分的仿真模拟软件。在仅内嵌有氦元素工质的基础上,工作新增了包含N2、H2、Ne、Ar和甲烷等13种低温工质的物性库,介绍了其适用温度、压力区间及计算精度等情况。在保留原有氦-4(4He)的基础上补充了当前最新的4He状态方程的研究成果,以此验证了新物性库与原物性库的衔接性和复现性。使用基于新物性库的REGEN3.3a程序对He、H2和Ne为工质的斯特林型脉管制冷机,进行了模拟优化计算并比较了采用不同工质时制冷机的制冷系数。     

PAPS超流氦低温系统中2K负压换热器的设计与优化

先进光源技术研发与测试平台(PAPS)需要2K超流氦系统为超导腔提供低温环境,2K负压换热器是低温系统的关键部件,考虑氦工质的物性随温度变化较剧烈,采用分段法对换热器进行计算,建立了2K负压换热器的计算模型,基于该模型编写了换热器的设计及校核计算程序,并对换热器进行了优化。结果表明,结构参数对换热性能有较大的影响,优化后的换热器所需的换热面积减小,换热系数增加,低压侧压降降低。     

混合工质高温水源热泵计算机模拟

针对高温混合工质热水热泵,本文提出了纯质及混合工质的热泵模拟程序;本程序详细考虑了混合工质纯传递特性对换热的影响,在只输入热泵系统结构参数以及外部换热参数的条件下,应用本程序能进行热泵系统冷热水温度、换热器温度场、制冷制热量及系统的性能参数计算。     

基于Aspen的超临界CO2布雷顿循环性能研究

超临界二氧化碳(SCO_2)布雷顿循环发电系统与传统火力发电系统相比,具有系统尺寸小、循环效率高、工质易获取等优势。本文首先采用Aspen HYSYS与Aspen Plus软件分别建立了三种循环模型:简单循环、再压缩循环和分流再压缩循环;并使用三种物性方法对每种循环进行了模拟;对比实验室的数据,研究了不同物性方法的模拟精确度,数据表明Aspen Plus软件下的REFPROP物性计算方法精确度较高。然后在不同的工况参数下,使用该物性方法计算对比了三种循环在相同工况下的循环效率,结果证实:为获得高效率,回热尤为重要。最后,以再压缩循环模型为基础,在不同的回热条件下,研究了循环中五个主要参数对循环效率的影响。本文结论可为SCO_2的再压缩循环模型设计提供参考。     

An Experimental Investigation of Forced Convection Heat Transfer from a Coiled Heat Exchanger Embedded in a Packed Bed

Forced convection heat transfer from a helically coiled heat exchanger embedded in a packed bed of spherical glass particles was investigated experimentally. With dry air at ambient pressure and temperature as a flowing fluid, the effect of particle size, helically coiled heat exchanger diameter, and position was studied for a wide range of Reynolds numbers. It was found that the particle diameter, the helically coiled heat exchanger diameter and position, and the air velocity are of great influence on the convective heat transfer between the helically coiled heat exchanger and air. Results indicated that the heat transfer coefficient increased with increasing the air velocity, increasing helically coiled heat exchanger diameter, and decreasing the particle size. The highest heat transfer coefficients were obtained with the packed-bed particle size of 16 mm and heat exchanger coil diameter of 9.525 mm (1/4 inch) at a Reynolds number range of 1,536 to 4,134 for all used coil positions in the conducted tests. A dimensionless correlation was proposed for Nusselt number as a function of Reynolds number, particle size, coil size, and coil position.     

U型管传热量影响因素的数值模拟研究

地下换热器是地源热泵的重要组成部分,竖直U型管是最常见的地下换热器形式. U型管与土壤间的传热受诸多因素的影响.为分析这些因素对于U型管传热的影响,本文建立了地源热泵竖直U型管地下换热器的三维全尺寸数值模型,在此基础上采用CFD软件FLUENT对U型管的埋管深度、进口水温、管内流速等一系列因素在冬夏不同工况下对U型管传热量的影响进行了数值模拟研究.经过整理分析得出的各种因素对传热量影响可以为优化工程设计提供依据.     

Evaluation on the heat transfer performance of a vertical ground U-shaped tube heat exchanger buried in soil–polyacrylamide

Ground source heat pump (GSHP) systems have been applied widely because of their environmental-friendly, energy-saving, and sustainable nature. In this work, heat transfer performance of a single vertical small-scale U-shaped tube ground heat exchanger under hot climatic condition is addressed considering the influences of inlet water temperature, Reynolds number, and backfill materials (raw soil; soil–polyacrylamide (PAM) blend (0.27% blending ratio for PAM). The backfill materials had an important effect on the heat transfer of the ground heat exchanger. At an inlet water temperature of 45°C and Reynolds numbers of 3104 and 4656, the temperature drops of water in the tube in the soil–PAM blend increased by about 0.3 and 0.4°C compared to that in the raw soil. Within Reynolds number from 3104 to 6208, the average surface heat transfer coefficients of the water in the tube in the soil–PAM blend and raw soil at an inlet water temperature of 45°C were 411 and 231 W m^?2K^?1, respectively. The results suggest that adding the PAM into soil can be an effective manner for enhancing the heat transfer of the ground heat exchanger. The dimensionless surface heat transfer correlation of the water in the U-tube heat exchanger in the soil–PAM blend was obtained. The model could better fit the experimental data within ±10% deviation.     

Different methods to calculate heat transfer coefficient in a double-tube heat exchanger: A comparative study

An experimental study performed to compare the results of different methods used in the literature for the calculation of heat transfer coefficient in double-tube heat exchangers. Then, a new fundamental approach was proposed which used the temperature profile and the local heat transfer coefficients. In this method, the heat transfer coefficient has been calculated for the total length of the heat exchanger including developing and fully developed regions. Numerous experimentations have been conducted in a double-tube heat exchanger. A significant difference observed between the results obtained from the suggested approach and those of the previous methods.     

升膜式板式换热器的换热性能研究

升膜蒸发是在换热器表面形成一层薄液膜,薄膜蒸发能够强化换热。文中研究采用光滑铜板的板式升膜蒸发器,以去离子水作为介质,在不同进水流量、不同加热量(热流密度)下,测定换热器某些点的局部换热系数,计算出总的换热系数,研究影响板式换热器升膜蒸发的因素和变化趋势。     

超临界LNG在错列S形翅片微通道的流动传热特性研究

作为一种新型微通道换热器,印刷电路板式换热器(Printed Circuit Heat Exchanger, PCHE)因比表面积大、耐高压和低温、海上适应性强以及便于模块化等特点,近年来逐渐成为浮式LNG接收站和浮式储存及再气化装置的主低温换热器首选。针对改进后的错列S型翅片,对超临界LNG在翅片通道内的流动传热特性展开数值模拟,并重点探析拟临界工况附近的对流换热特征。结果表明,错列S形翅片能在保证良好的传热性能下获得较低的阻力压降;在LNG-丙烷中间介质气化器内,随着超临界LNG压力的升高,能带来更高的出口温度,沿流通长度方向上定压比热的变化也趋于平缓,而变化过渡区也会逐渐趋于温度更高的流场区,同时定压比热变化的极大值也会大幅缩小;入口段的温度场变化梯度明显,且变化梯度会随着压力提高而进一步增大;在靠近拟临界压力处,超临界LNG在翅片流道中会由于物性剧烈变化而出现传热异常行为。     

COIL压力恢复系统气流主动冷却技术数值模拟

 引射式压力恢复系统是化学激光系统应用中的一个重要组成部分,为了提高引射器引射效率,减小整个系统尺寸,可以采用主动降低光腔出口气流温度的方法。通过数值模拟,开展了用热交换器降低光腔出口气流温度的研究。给出了混合气体的热物理性质、热交换器建模方法及数值模拟条件,比较了不同条件下热交换器性能的差异,发现由于出口气流密度很低,热交换器的总传热系数、压力损失比常规条件下有较大幅度的减小。此时适当增大椭圆管尺寸,采用高翅片换热管,可以有效地提高热交换器的换热能力。     

现场测量深层岩土热物性方法

地下岩土的热物性参数是地源热泵地热换热器的设计中所需要的很重要的参数。热物性参数的大小对钻孔的数量及钻孔的深度具有显著的影响，进而影响地源热泵系统的初投资。为了能够在现场测量地下岩土的热物性参数，本文利用一套现场测量设备测量了对地下埋管回路施加的热流与回路中循环水温度随时间的变化，并利用参数估计方法确定地下岩土的热物性参数。     

相变蓄热体的热工特性数值模拟

为了深入研究蓄热式换热器的蓄放能效果,提出了采用具有相变材料的蓄热体强化蓄放热,通过gambit软件建立了三维蓄热体相变传热过程的物理模型和数学模型,利用fluent软件模拟了具有相变材料的蓄热体与具有变截面管强化的蓄热体传热,得到了两者蓄放热过程温度场分布。根据模拟结果分析了相变材料及缩放结构对蓄热体蓄放热效果的影响,为优化设计蓄热式换热器提供了理论参考。