摘 要

随着科学与社会的飞速发展，能源地加剧消耗以及各种废气的任意排放，严重导致了环境的破坏和自然生态的不平衡，给人类的生活和居住造成了难以估量的灾难。为了应对上述问题，我国大力倡导节能减排的国家政策，充分利用能源，提高其转化效率。目前最重要的一个研究方向就是提高热力设备的效率，现阶段研究一般传热介质作为热力设备的工作流体较多，但是使用超临界流体为工作介质的研究比较少；而且现在要求热力设备的结构紧凑、质量轻、换热效率高。针对上述的要求，本课题以超临界二氧化碳作为印刷电路换热器中的工作流体为基础，研究该流体在Z型和S型管道中的流动和传热特性，并分析了流动和传热异同的影响因素。因此，本研究对科学研究以及工程应用具有深远的意义。

通过对恒热流密度加热时，用FLUENT数值模拟了超临界二氧化碳在Z型和S型管道的流动和传热特性，分别分析了在两种不同管型中出口温度分布、流动方向速度矢量、拐角速度分布等，研究表明，流体在管道中心处速度最大，在管壁周围流速相对较低；在拐角处表现出流速的分布比较紊乱，但是S型管道由于拐角较平滑速度流场较平稳；在管壁附近速度有梯度分布；在一般条件相同的前提下，S型管道的换热系数大于Z的换热系数。

关键字：超临界二氧化碳；印刷电路换热器；传热特性；流动形式

ABSTRACT

With the rapid development of science and society, the environment and the balance of natural ecological is destructed because of the energy increased consumption and various kinds of waste gas discharged arbitrarily, which caused incalculable disaster to the life and habitancy. To deal with the above problems, our country advocates the national policy of energy savings, make full use of energy and improve the conversion efficiency. At the present time an important direction is to improve the efficiency of the thermal power equipment; at this stage, the general heat transfer medium as the working fluid of thermal equipment more common, but it is fewer that using the supercritical fluid as working medium; Furthermore, it requires that the structure of thermal equipment is compact, the light is weight, and the heat exchange efficiency is high. For the requirements, based on supercritical carbon dioxide as the working fluid in the printed circuit heat exchanger, this topic studies the fluid in the Z type and S type pipe flow and heat transfer characteristics, and analyses the influence factors of flow and heat transfer. Therefore, this research has profound significance for scientific research and engineering application.

By heating the constant heat flux density, the fluent simulates the flow and heat transfer characteristics of supercritical carbon dioxide in the Z type and S type pipe, and analyzes these, such as two kinds of tube types’ outlet temperature distribution, flow direction of the velocity vector and corner velocity distribution. According to the study, fluid is maximum in the velocity of the pipe center and it is relatively low in the wall velocity around; The distribution of flow velocity at the corner is more disordered, but the velocity field of the S type pipeline is more steady because the corner is more smooth; There is a gradient distribution near the wall of the pipe wall; on the premise of the same conditions, the heat transfer coefficient of S type is higher than this of Z type.

Keyword: supercritical carbon dioxide; printed circuit heat exchanger; heat transfer characteristic; liquid form

目录

第一章 绪论 1

1.1 背景和意义 1

1.2超临界二氧化碳的研究现状 3

1.3本文的主要研究内容 5

1.4本章小结 6

第二章 印刷电路换热器的管道形式与计算机流体力学基础 7

2.1印刷电路换热器的管道形式 7

2.2计算机流体力学基础 7

2.2.1计算流体软件的概述 7

2.2.2 CFD软件的应用领域 8

2.2.3商用FLUENT软件的简介 8

2.3本章小结 10

第三章 超临界CO₂在Z型PCEH管道形式的流动和换热规律 11

3.1模型和数学计算 11

3.2网格划分以及边界条件 12

3.3 FLUENT求解 12

3.3.1计算方法及收敛准则 12

3.3.2数值模拟结果及分析 13

3.4本章小结 18

第四章 超临界CO₂在S型PCEH管道形式的流动和换热规律 19

4.1模型与数学计算 19

4.2网格生成以及边界条件 19

4.3 FLUENT求解 19

4.3.1计算方法及收敛准则 19

4.3.2速度场模拟结果及分析 22

4.4本章小结 24

第五章 结论 25

5.1结论 25

参考文献 错误!未定义书签。

致谢 28

1. 绪论

1.1 背景和意义

随着我国社会地不断高速发展，对能源的需求量越来越大，但是由于化石燃料的不可再生并且储量越来越短缺，尤其是我国人均的能源占有量远远低于国际的平均水平，还有我国对能源的利用率不是很高、供需之间矛盾突出的局势将长期存在。从我国日前可再生资源的占有率以及可持续发展的角度来看，截止到2020年预测可再生资源储量将仅占总资源的15%左右，显然如果不抓紧采取相应的措施，可再生资源从根本上将无法满足我国社会高速、可持续发展的需求；节能已经从国家“十一五”规划后就在实施，也是我国在能源方面首先考虑和关注的重大问题。节能即节约能源的简称，是指通过加强用能的管理，并采取技术上可行的、经济上合理的以及环境和社会均可以承受的措施，从能源生产到消费的每个环节，降低消耗、减少损失和污染物排放、制止浪费，有效、合理地利用能源。简而言之，就是通过社会上各行各业的先进技术手段来实现能源利用率的最大化，其中涉及较多且起关键作用的是热能动力设备传热问题，现在国内外许多学者都已经在此领域做了相关的研究，一方面通过使低品位能源得到充分利用以达到节约能源的目的；一方面过研究新的换热设备，使得传热效率最大化，并且尽量降低换热设备制造、维护等各种费用。

另一方面由于化石燃料的大量使用以及绿色植物的过度破坏，过量的二氧化碳被排放到大气中，导致温室效应更加严重，大气层温度不断升高，进而导致臭氧层破坏进一步加剧，使得地球上的气态平衡不稳定，给人类生活、生产带来了严重的灾难，因此控制二氧化碳排放或减少大气中的二氧化碳含量是全球非常关注的焦点。又因为二氧化碳具有无毒、不易燃和化学性质比较稳定的性质，且其臭氧层破坏潜能ODP=0、温室效应潜能GWP=1，是一种环境友好型的气体，倘若能够将其加以回收利用，不仅对有助于控制全球气候变暖，而且对节能有巨大的贡献。