用于柴油机余热回收底循环的烟气换热器性能研究与优化

摘要

柴油机在运行的过程中仅有30％-40%的燃烧能量转化为有用的机械功，绝大部分能量都被冷却水和排气带走，最终耗散在环境中，有效回收这部分能量具有重要的意义。在发动机的余热源中，排气中所包含的能量约占燃烧能量的30-40%，且温度较高，能量品位较高，有较好的回收前景。目前，有机朗肯循环（ORC）是一种效率较高的发动机余热回收方式。在有机朗肯循环系统中，烟气换热器直接决定系统能从排气中获取能量的多少，对其进行研究具有重要的意义。
　　本文的主要研究对象是用于ORC余热回收系统的管壳式烟气换热器，该换热器的作用是将排气的热量交换到导热油中，进而传递给有机工质膨胀做功。本文首先对针对几种典型的发动机工况对该管壳式烟气换热器进行了实验研究，获取实验数据验证数学模型和理论计算。实验结果表明，该换热器最高可以回收74.2kW热量，余热能回收效率最高为0.63。
　　本文利用平均温差法结合筛选的换热关联式对换热器的换热过程建立了数学模型并进行理论计算，与实验结果的对比表明，该模型误差在10%以内。使用该模型对发动机主要运行工况下，烟气换热器的性能进行了研究。研究结果表明，发动机的排气温度和流量越大，换热器的换热性能越好。
　　本文还利用商业软件Fluent对该换热器建立仿真模型，并进行了计算流体力学（CFD）计算，与实验结果的验证表明，该模型误差在8%以内。CFD仿真结果表明：管壳式换热器内排气温度沿换热管轴向方向逐渐变小，导热油温度沿相反的方向逐渐增大，管程流速在换热管内保持恒定，在两端封头内存在涡旋流动，壳程整体上为一个在壳体内部的涡旋流动。
　　利用构建的CFD仿真模型，本文开展了管壳式烟气换热器的优化研究，主要研究了换热器不同运行参数和不同主要结构参数对换热器性能的影响规律，结果表明，增加换热管长和减小换热管径以及在壳程增加折流板均能有效的改善换热器的性能。为了进一步探索高效的烟气换热器，本文还以平直翅片板翅式换热器为例进行了探索性计算，结果表明该类换热器的性能优于管壳式换热器，其中导热油的换热系数约为管壳式换热器的10倍，余热回收效率为0.8。

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字母注释表

第一章 绪论

1.1 研究背景及意义

1.2研究现状

1.3本文研究的主要内容

第二章 柴油机烟气换热器的实验研究

2.1实验系统介绍

2.2实验内容

2.3实验数据处理

2.4 发动机排气和导热油的物性参数

2.5实验结果分析

2.6 本章小结

第三章 基于平均温差法的管壳式烟气换热器数值计算

3.1平均温差法研究换热器传热问题的方法

3.2 计算模型的选择

3.3计算流程

3.4计算结果分析

3.5 本章小结

第四章 基于CFD技术的管壳式烟气换热器数值仿真

4.1 计算流体力学简介

4.2 Fluent简介

4.3 用Fluent对换热器进行的数值模拟研究

4.4结果分析

4.5 本章小结

第五章 柴油机烟气换热器的优化研究

5.1换热器导热油进出口温度对性能的影响

5.2换热器的结构参数对换热器性能的影响

5.3 以板翅式换热器为例进行紧凑式换热器的探索研究

5.4本章小结

第六章 工作总结与展望

6.1 全文总结

6.2 工作展望

参考文献

发表论文和参加科研情况说明

致谢