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开架式气化器竖直圆管内超临界氮换热实验研究

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制冷学报 2020年第6期41卷 133-139页

作者：成赫巨永林傅允准上海交通大学制冷与低温工程研究所上海200240 上海工程技术大学机械工程学院上海201620

目前国内外对液化天然气(LNG)接收站的开架式气化器中超临界天然气的流动换热实验研究非常少,本文为了研究开架式气化器中竖直管内超临界流体的流动换热特性,搭建了竖直单管超临界流体换热实验平台。以液氮代替液化天然气,研究了氮入口... 详细信息

目前国内外对液化天然气(LNG)接收站的开架式气化器中超临界天然气的流动换热实验研究非常少,本文为了研究开架式气化器中竖直管内超临界流体的流动换热特性,搭建了竖直单管超临界流体换热实验平台。以液氮代替液化天然气,研究了氮入口压力、水温和水流量等不同参数对换热的影响。结果表明:在拟临界温度以下,表面传热系数随着压力的增大逐渐减小,但拟临界温度以后,这种趋势相反;当水流量足够大时,氮出口温度取决于管外水温而不是水侧流量。最后,基于实验数据拟合出了适用于竖直圆管内超临界低温流体流动换热的半经验关联式,关联式预测值和实验值的平均绝对偏差为8.42%,可以准确预测竖直加热管中超临界氮的表面传热系数。

关键词：气化器传热系数超临界氮竖直管关联式

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超临界氮射流流场数值模拟研究

石油机械 2021年第10期49卷 92-98页

作者：罗翼黄中伟史怀忠熊超杨睿月陈振良中国石油新疆油田分公司吉庆油田作业区新疆克拉玛依市834000 中国石油大学(北京)油气资源与探测国家重点实验室

常规水力压裂技术在改造干热岩储层时面临起裂压力高、封隔器坐封困难等问题。超临界氮喷射压裂技术利用流体压能与冷冲击共同作用,有望实现对干热岩储层的有效压裂。为研究超临界氮射流流场的分布规律,采用计算流体力学方法,考虑超临... 详细信息

常规水力压裂技术在改造干热岩储层时面临起裂压力高、封隔器坐封困难等问题。超临界氮喷射压裂技术利用流体压能与冷冲击共同作用,有望实现对干热岩储层的有效压裂。为研究超临界氮射流流场的分布规律,采用计算流体力学方法,考虑超临界氮物性变化,计算得到了超临界氮射流流场的速度、压力和温度分布,并与液氮射流、超临界CO 2射流和水射流流场进行了对比分析,同时研究了在不同压降、围压和入口温度条件下,超临界氮射流的流场特征。研究结果表明:相比于其他3种射流,超临界氮射流具有最大的喷嘴出口速度和最长的射流等速核;随着喷嘴压降的增大和超临界氮入口温度的升高,流体出口速度快速增加,等速核长度增大;围压对喷嘴出口速度影响较小,但提高围压会引起等速核长度变小。研究结果可为超临界氮喷射压裂施工参数的设计提供理论指导。

关键词：超临界氮射流计算流体力学流场分析

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竖直细圆管中超临界氮的对流换热研究

低温与超导 2009年第7期37卷 9-13页

作者：黄禹沈飚张鹏王如竹上海交通大学制冷与低温工程研究所上海200240

在内径为2mm的竖直细圆管内进行了向上流动的超临界对流换热实验。通过实验发现,质量流量、进口温度对壁面温度分布以及压降有很大影响;并讨论了换热发生增强和恶化的原因;用浮升力和热加速准则解释了其中的一些热流体现象。并基于FLUEN... 详细信息

在内径为2mm的竖直细圆管内进行了向上流动的超临界对流换热实验。通过实验发现,质量流量、进口温度对壁面温度分布以及压降有很大影响;并讨论了换热发生增强和恶化的原因;用浮升力和热加速准则解释了其中的一些热流体现象。并基于FLUENT软件进行了数值计算,与实验结果进行比较,分析表明,数值计算预测壁面温度分布和压降有一定的适用性。

关键词：超临界氮换热换热恶化浮升力数值计算

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旋流通道内超临界氮的换热性能研究

流体机械 2024年第8期52卷 31-38页

作者：夏春杰陈永东吴晓红宋嘉梁邓靜程沛合肥通用机械研究院有限公司传热技术与装备研究所合肥230031

为了研究超临界氮在旋流通道内的换热性能,通过试验和数值模拟的方法,分析了超临界氮物性变化在螺旋管沿程及周向引起的流动传热变化,以及流动参数、结构参数对换热系数h、流体温度Tf、壁面温度Tw、压力P1的影响,并对各结构参数的灵敏... 详细信息

为了研究超临界氮在旋流通道内的换热性能,通过试验和数值模拟的方法,分析了超临界氮物性变化在螺旋管沿程及周向引起的流动传热变化,以及流动参数、结构参数对换热系数h、流体温度Tf、壁面温度Tw、压力P1的影响,并对各结构参数的灵敏度做了量化分析。结果表明,流体温度位于临界温度127.15 K附近时,换热系数达到峰值;管径d对h,Tout,P1的灵敏度值最大分别约为2.47,0.42,2.15,说明d值变化对流动传热影响最大;对数据进行处理,拟合出基于螺旋管结构特性的超临界氮传热关联式,模拟值和公式值最大误差为12%。研究结果可为螺旋管换热器的应用推广提供参考。

关键词： LNG气化器螺旋管超临界氮数值模拟换热性能

翼型流道印刷板式换热器内超临界氮的流动与换热性能研究

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翼型流道印刷板式换热器内超临界氮的流动与换热性能研究

作者：张永江苏科技大学

学位级别：硕士

印刷板式换热器(Printed circuit heat exchanger,PCHE)是一种高效紧凑的新型板式换热器,可用于体积受限的,高压或高热流密度等极端工况。此外,超临界压力流体具有良好的流动换热特性,它在工业领域中得到了广泛的应用。如今关于如何提高... 详细信息

印刷板式换热器(Printed circuit heat exchanger,PCHE)是一种高效紧凑的新型板式换热器,可用于体积受限的,高压或高热流密度等极端工况。此外,超临界压力流体具有良好的流动换热特性,它在工业领域中得到了广泛的应用。如今关于如何提高PCHE的流动换热特性以及其内部特征受到国内外学者的关注,但是目前国内以超临界流体应用于PCHE换热的研究十分少见。本文以超临界氮为工质,采用实验研究与数值模拟相结合的方法,对不同工况下及不同翼型翅片排列方式的翼型流道PCHE内的热工水力特性进行分析,探究翼型流道PCHE内较佳的流道结构与工况。因此,本研究对工程实际应用具有重要的意义。本文首先介绍了超临界流体及其特征,展示了超临界氮的物性图,并拟合了超临界氮的物性多项式函数。从质量流量、热流密度和压力等方面介绍了超临界流体的特殊的换热特性,其特殊的换热特性主要与其物性的剧烈变化有关。然后从计算流体动力学、FLUENT介绍、流动及换热的基本控制方程和数值模拟基本过程四个方面讲述了流动与换热的数值模拟理论基础,为下文的研究和分析提供了依据。本文通过实验研究了不同工况下翼型流道PCHE内超临界氮的流动与换热性能,首先介绍了实验系统及实验过程,具体包括:实验装置原理、实验步骤、测量元件与测量方法、实验误差与数据处理。实验中液氮的进口质量通量为203-228 kg/ms,进口压力为5-8 MPa,入口温度为103-121 K,通过整理实验数据,分析了不同质量流量、入口温度和热流密度对翼型PCHE出口温度和压降的影响。实验结果表明:在相同的进口压力下,出口温度随质量流量的增加而降低。在相同质量流量下,出口温度随着压力的增大而增大。当进口温度增大时,出口温度也逐渐升高,并且增加的幅度比较均匀。而且很明显,热流密度70 kw/m比66 kw/m的出口温度更高,出口温度增加约16.5℃。此外,在相同质量流量下,压降随运行压力的减小而增大。随着入口温度的增加,翼型PCHE流道的压降逐渐增大,并且压降增大的斜率越来越大。其次,采用数值模拟的方法对翼型流道PCHE内超临界氮的流动与换热特性进行研究,主要研究了质量通量、压力和入口温度对翼型流道PCHE流动与换热的影响。本章模拟的流道内的翼型翅片的结构和排列方式和实验是相同的,模拟工况的压力为5 MPa、6 MPa、7 MPa、8 MPa,质量通量为203-228 kg/ms,进口初始温度为103 K。主要对不同工况下超临界氮的对流换热系数、努谢尔特数和压降等方面的性能进行分析,并提出新的努谢尔特数和范宁摩擦因子的关联式。模拟结果显示,在相同的质量流量下,翼型PCHE的平均对流换热系数随着入口压力的增大而增大。随着压力的降低,努谢尔特数增加的斜率的拐点出现在较大雷诺数下。不同入口温度也会对超临界氮在翼型PCHE内的流动换热产生影响。考虑到综合传热性能,入口温度103 K比127K工况,不仅压力损失较小,而且具有较强的对流换热性能。在超临界压力工况下,Gnielinski和Dittuss-Boelter关联式未能准确地预测翼型流道内的努谢尔特数和范宁摩擦系数。本章提出了新的范宁摩擦系数与努谢尔特数的关联式,通过比较和验证,我们发现新的关联式预测的努谢尔特数和范宁摩擦系数与实验和数值模拟结果吻合较好。最后,采用数值模拟的方法对不同排列方式的翼型流道内超临界氮的热工水力特性进行研究,主要研究了不同垂直距离与交错距离的翼型流道的局部与整体换热性能。模拟工况的压力为6 MPa,质量通量为227.7 kg/ms,进口初始温度为103 K。主要从速度分布、压力分布、整体对流换热系数、努谢尔特数和压降等方面对不同翼型翅片排列方式的流道的流动特性进行分析,并通过综合性能评价指标(PEC)比较了各种流道的综合性能。模拟结果显示:当交错距离从L=0 mm增加到L=1.2 mm时,速度分布变得越来越均匀。不同翅片布置方式下流道内的流速沿流道的增大趋势相似,流速的增加趋势越来越陡。此外,压力降低的幅度沿流动方向逐渐增加。适当减小两排翅片之间的垂直距离和减小交错距离可以提高PCHE的对流换热能力。此外,翅片的完全交错排列以及适当增加两排翅片之间的垂直距离可以减少压力损失。与L=0.6 mm、L=1.25 mm,L=1.2 mm、L=1 mm,L=1.2 mm、L=0.8 mm的通道相比,L=1.2 mm、L=1.25 mm的通道的PEC值更高,尤其在雷诺数较低时,这种现象更明显。因此,通过完全交错布置以及适当减小翅片之间的垂直距离,可以提高翅片的综合传热性能。

关键词：翼型印刷板式换热器流动与换热超临界氮努谢尔特数范宁摩擦因子

不同微通道结构内超临界氮流动与传热特性研究

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不同微通道结构内超临界氮流动与传热特性研究

作者：姚安卡哈尔滨理工大学

学位级别：硕士

近年来,随着细微加工技术和微尺度设备的快速发展,微型换热器逐渐走向高效换热微尺度化。随着电子器件、工业设备等散热量的增加,简单微通道已经不能完全满足设备散热需求。本文通过采用数值模拟方法对不同微通道结构内超临界氮(Supercr... 详细信息

近年来,随着细微加工技术和微尺度设备的快速发展,微型换热器逐渐走向高效换热微尺度化。随着电子器件、工业设备等散热量的增加,简单微通道已经不能完全满足设备散热需求。本文通过采用数值模拟方法对不同微通道结构内超临界氮(Supercritical Nitrogen,SCN)流动与传热特性进行研究。首先,创建矩形截面直微通道与圆形凹腔型微通道的模型,采用数值方法对SCN流动与传热特性进行分析。同时,建立不同凹腔形状的凹腔型微通道,通过研究凹腔形状和圆形凹腔椭圆度等相关结构参数对微通道内SCN换热性能的影响。本文研究结果能够为微通道换热器优化设计和高效运行提供基础性参考数据。主要研究内容和研究结果如下:(1)首先,本文将数值模拟数据与实验数据进行比较,以验证模拟方法的可靠性。基于有/无圆形凹腔型微通道的物理模型,研究了微通道内SCN的流动和传热特性规律,在矩形截面形状直微通道中圆形凹腔结构存在增强了对流传热,提高了速度场和温度场协同作用,减薄了流体边界层厚度,降低了范宁摩擦系数,减小了流体阻力,增加了与壁面的热交换效率。(2)其次,基于圆形凹腔型微通道,建立了不同凹腔结构和椭圆度的凹腔型微通道模型,研究了不同凹腔形状和椭圆度对凹腔型微通道内SCN的流动和传热特性。结果发现,相比矩形和梯形凹腔型微通道,侧壁具有圆形凹腔型的微通道综合换热性能最佳。圆形凹腔型微通道在本文所设计结构尺寸下(R=1.5mm,H=1mm,L=540mm,入口截面宽为3mm,侧壁设置六个凹腔结构),当质量流量设置大约为750kg/m·s时最有利于SCN的换热特性,相较于矩形和梯形凹腔型的微通道整体换热性能提升了大约23%。(3)最后,设计了四种不同椭圆度圆形凹腔型微通道,研究了椭圆度对微通道热交换性能影响。研究表明,在不同凹腔型微通道中,椭圆度a/b=1时速度平均值为最大,波幅最小。随着椭圆度增大,椭圆度大于1时,存在滞留死区,传热效果恶化。综合考虑椭圆度为1凹腔型微通道为最佳。

关键词：微通道超临界氮凹腔流动强化传热

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圆管内超临界氮垂直向下流动与传热特性研究

圆管内超临界氮垂直向下流动与传热特性研究

作者：李强大连理工大学

学位级别：硕士

进入21世纪,能源领域、航空航天、生命科学、医疗护理、新型材料等应用工程飞速发展,设备功率逐渐提高相应的热负荷也不断提高,传热学作为基础学科也相应面临着前所未有的挑战,寻找高效而可靠的冷却手段应对热负荷的挑战迫在眉睫。超临... 详细信息

进入21世纪,能源领域、航空航天、生命科学、医疗护理、新型材料等应用工程飞速发展,设备功率逐渐提高相应的热负荷也不断提高,传热学作为基础学科也相应面临着前所未有的挑战,寻找高效而可靠的冷却手段应对热负荷的挑战迫在眉睫。超临界流体由于在流动和传热方面具有与其他状态流体不同的特性,使得超临界流体在化学工程、航天技术、动力工程、超导体冷却等相关领域有着广泛应用或潜在的应用价值,因此越来越多的科研人员将研究内容转向超临界流体换热。目前国内外对超临界CO和水进行较多研究,而超临界氮的基础研究相比之下较少。因此本文对圆管内超临界氮竖直向下流动换热进行研究,重点分析质量流速、热流密度、系统压力等系统参数对超临界氮换热特性的影响,并从浮升力和热加速度角度对换热特性进行分析,深入机理研究;同时分析了管径因素对超临界氮换热的影响。通过对质量流速、热流密度、系统压力等系统参数的多组工况进行模拟与对比,从换热系数、浮升力、热加速度、边界层效应等诸多方面对超临界氮换热特性进行分析。结果表明:系统压力不同时,换热系数随主流温度先增加达到峰值而后下降,给予更高的系统压力,换热系数的峰值出现向后移动的趋势,换热系数整体出现下降的趋势。且发现给予更高的质量流量会使得换热效果更好,换热强化效果更明显。在下降流动过程中,所产生的浮升力会抑制换热,使得流体换热向传热恶化趋势进行,因此热流密度越大时,相应的换热系数越低。而与此同时高质量流速的情况下浮升力准则数Bo小于阈值,对换热的影响忽略不计,可以有效地抑制传热恶化。同时热加速度准则数Kv低于阈值,在竖直向下流动过程中热加速度对换热的作用效果不明显忽略不计。

关键词：超临界氮流动传热浮升力热加速度数值模拟

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超临界氮在螺旋管内的流动与传热研究

压力容器 2017年第10期34卷 27-31,7页

作者：夏春杰陈永东王严冬宋嘉梁吴晓红合肥通用机械研究院安徽合肥230031

采用有限元分析软件对超临界氮在螺旋管内的流动与传热进行研究,探讨了螺旋半径R、螺距P、管径d等结构特性对流动传热的影响,并对各参数灵敏度做了量化分析。结果表明,螺旋管内离心力的存在很大程度上强化了传热;螺旋管结构特性的变化... 详细信息

采用有限元分析软件对超临界氮在螺旋管内的流动与传热进行研究,探讨了螺旋半径R、螺距P、管径d等结构特性对流动传热的影响,并对各参数灵敏度做了量化分析。结果表明,螺旋管内离心力的存在很大程度上强化了传热;螺旋管结构特性的变化对流动传热影响较大,其中管径d影响最大,螺旋半径R、螺距P次之,分析结果为今后的研究提供参考。

关键词： LNG气化器螺旋管超临界氮数值模拟

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微通道内超临界氮气三维热流场特性研究

微通道内超临界氮气三维热流场特性研究

作者：辛镜青哈尔滨理工大学

学位级别：硕士

微通道板式换热器(Micro-channel plate heat exchanger,MCPHE)因其体积小、换热率高而被公认为一种新型高效换热装置,并在能源领域得到广泛应用。目前,国内外学者已经对微通道板式换热器内超临界流体传热传质机理进行了大量的实验和数... 详细信息

微通道板式换热器(Micro-channel plate heat exchanger,MCPHE)因其体积小、换热率高而被公认为一种新型高效换热装置,并在能源领域得到广泛应用。目前,国内外学者已经对微通道板式换热器内超临界流体传热传质机理进行了大量的实验和数值研究,但是以超临界氮气(Supercritical nitrogen,SCN)为工质的研究较少,且适用于预测微通道内SCN换热特性的关联式无法满足所有工程需求,同时也缺乏能精确分析超临界流体传热传质的理论。为此,本文针对水平和竖直微通道内SCN的三维热流场进行数值研究,探讨两种物理模型内的传热传质现象和对热流场产生影响的因素,用伪相变模型阐明SCN内热扩散机理,为MCPHE的设计优化研究提供理论参考。本文采用计算流体动力学(Computational fluid dynamics,CFD)技术,对简化MCPHE中SCN三维热流场进行了数值模拟。首先,与已有实验数据比较发现,本文数值方法对SCN热工性能有较好预测精度。其次,研究了压力(3.6 MPa～7MPa)和质量流速(800 kg/(m·s)～1200 kg/(m·s))对SCN对流换热特性的影响,揭示了微通道圆管不同圆周方向上SCN热流场分布规律。结果表明:在低压、高质量流速条件下,微通道内同一轴向位置90°处出现周向最大内壁温度;随着质量流速增加,最大内壁温度和最小换热系数从180°逐渐向90°偏移。当浮力系数Gr*/Re>1时,浮力有利于增强微通道0°处流体传热能力。浮力使SCN热物性分布不均匀。最后,提出了一种新的无量纲关联式来预测MCPHE内SCN对流换热过程,预测误差小于20%。本文基于伪相变模型,对SCN在竖直微通道管内对流换热进行了数值与理论相结合的研究。讨论了不同q/G值对内壁温曲线“双峰”分布的影响,对热流场分成四个区域分析了“双峰”形成机理,最后利用“伪相变”模型将SCN传热类比为环形膜沸腾模型,用类气相、类液相、伪沸腾区和类热阻的分布揭示了高q/G时SCN竖直向上流动时传热机理。结果表明:高q/G值(大于150 J/kg)时,SCN内壁温更易出现“双峰”现象,第一处波峰主要由近壁面区域产生的热膨胀现象引起,第二处波峰主要由类气区扩张引起;因边界层和热膨胀现象出现是速度场出现“环形分层”主要原因,类气区的扩张是湍动能(Turbulent kinetic energy,TKE)和速度场出现环形分层层数增加的主要原因;基于伪相变模型和类热阻机理研究,进一步发现伪沸腾区域扩张可以促进SCN耦合换热,超过了类气区内较大的类热阻对SCN内部热量扩散的阻碍。本文研究结果可为MCPHE的优化设计和安全运行提供基础性参考数据。

关键词：微通道超临界氮热流场关联式数值模拟