车载ORC系统换热器传热特性分析与研究

摘要

为了有效回收利用汽车尾气的余热，本文设计了一种适用于车载有机朗肯循环(ORC)系统的换热器，并对其传热特性进行了理论计算与数值模拟分析。主要研究内容如下: 1.对比分析了ORC系统、水蒸汽循环系统以及卡诺循环系统的工作原理和热力循环特点，证明了ORC系统在余热回收方面具有一定的优势。通过简化计算条件，推导出适用于车载ORC系统热效率的计算公式;并采用热效率分析方法，对符合要求的四种氢氟烃(HFC)类工质R245fa、R134a、R236ea和R227ea进行优化选择，结果表明:工质R245fa的热效率、净功最大，是四种HFC类工质中用于车载ORC系统的最佳工质。 2.以汽车尾气为余热源，结合有机工质的热力学性质，选择具有背压低、结构紧凑、轻巧、换热效率高的板翅式换热器来设计车载ORC系统的换热器。分析了板翅式换热器的设计步骤和计算方法，并利用换热器计算工具HTFS.MUSE中的简捷算法模块，优化设计出适用于车载ORC系统的换热器结构参数。 3.采用C++对工质的相变特征原函数进行编程，将编译完成的程序导入CFD软件进行数值模拟，即可实现工质由液相到气相的相变传热分析。在变工况条件下对车载ORC系统换热器进行了数值模拟，结果表明:R245fa为传热性能最佳的工质，与换热器理论计算的传热性能基本吻合。 4.基于对板翅式换热器翅片传热机理的分析，提出了矩形平直翅片结构优化设计方案，以FLUENT软件的SIMPLE算法为基础对翅片进行数值模拟;将数值模拟值和Kays试验值进行多项式拟合，得出了j、f和Re的关系式，对比分析表明:数值模拟值和Kays试验值总体变化趋势一致，说明此次数值模拟方法具有一定的准确性和可行性;综合对圆角处理、挡板处理以及圆孔处理三种优化方案中不同结构参数翅片进行数值模拟分析可知，翅片圆角处理设计方案为最优设计方案。

目录

声明

摘要

第一章绪论

1．1课题研究的背景和意义

1．2国内外研究现状

1．2．1半导体温差发电技术

1．2．2氟利昂汽轮机发电技术

1．2．3废气涡轮机发电技术

1．2．4 ORC系统的深入研究

1．2．5板翅式换热器的研究

1．3本文主要研究内容

第二章车载ORC系统的设计与计算

2．1 ORC系统工作原理

2．2 ORC系统与其他循环系统的对比

2．2．1 ORC系统与水蒸汽动力循环系统

2．2．2 ORC系统与卡诺循环系统

2．3各种参数对ORC系统热效率的影响

2．3．1初温对ORC系统热效率的影响

2．3．2初压对ORC系统热效率的影响

2．3．3背压对ORC系统热效率的影响

2．4有机工质的选择原则

2．5车载ORC系统热效率的计算

2．5．1 R134a为工质时系统的热效率

2．5．2 R245fa为工质时系统的热效率

2．5．3 R236ea为工质时系统的热效率

2．5．4 R227ea为工质时系统的热效率

2．5．5四种工质的优化选择

2．6本章小节

第三章车载ORC系统换热器的设计与理论分析

3．1．2紧凑性换热器的类型

3．1．3板翅式换热器的介绍

3．2换热器的设计方法

3．2．1平均温差法

3．2．2效率—传热单元数法

3．3换热器的理论计算

3．3．1几何尺寸计算

3．3．2翅片效率和翅片表面总效率

3．3．3传热量与传热系数

3．3．4换热器压力计算

3．4本章小结

第四章车载ORC系统换热器CFD数值模拟

4．1 CFD软件概述

4．1．1 CFD软件的发展

4．1．2 CFD数值计算过程

4．1．3 FLUENT软件概述

4．1．4 FLUENT基本控制方程

4．1．5混合物模型的控制方程

4．1．6气液相变的用户自定义函数(UDF)

4．2换热器CFD数值模拟方法

4．2．1三维模型的选取与建立

4．2．2网格划分

4．2．3 FLUENT求解器求解

4．3数值模拟结果分析

4．3．1工质蒸发温度对传热性能的影响

4．3．2工质进口速度对传热性能的影响

4．3．3热空气进口速度对传热性能的影响

4．3．4热空气进口温度对传热性能的影响

4．3．5不同工质对传热性能的影响

4．4本章小节

第五章车载ORC系统换热器平直翅片的优化

5．1翅片优化方案及验证

5．1．1翅片优化方案

5．1．2翅片边界条件设置

5．1．3网格无关性验证

5．1．4对比验证

5．2翅片优化处理

5．2．1圆角处理的影响

5．2．2挡板数的影响

5．2．3挡板高度的影响

5．2．4挡板厚度的影响

5．2．5圆孔数的影响

5．2．6圆孔半径的影响

5．2．7最优设计方案的确定

5．3本章小结

第六章结论与展望

6．1结论

6．2展望

参考文献

发表论文和参加科研情况说明

致谢