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高温紧凑板翅式换热器稳态和动态性能的研究点击：2011 日期：[ 2014-04-26 22:55:00 ] |
| 高温紧凑板翅式换热器稳态和动态性能的研究 王礼进, 张会生, 翁史烈 (上海交通大学动力机械与工程教育部重点实验室,上海200240) 摘要:建立了紧凑板翅式换热器的动态数学模型.为了满足系统快速动态仿真的需要,采用容阻 特性建模技术建立了紧凑板翅式换热器的仿真模型.在相同的运行条件下,对不同的高温板翅固体 材料进行了稳态和动态仿真研究.结果表明:在不同的材料条件下,高温板翅式换热器的稳态性能 基本相同;但不同材料的动态特性时间不同,硅碳陶瓷材料具有较小的延迟时间,常规高温合金材 料延迟较大. 关键词:工程热物理;紧凑板翅式换热器;高温;容阻特性建模;板翅材料;性能 中图分类号:TK121 文献标识码:A 高温紧凑板翅式换热器广泛应用在高温燃料电 池-微型燃气轮机混合系统和高温气冷堆等动力系 统中,是提高整个循环热效率的有效方法之一.在对 动力系统进行动态仿真和实时控制时,高温换热器由于具有较大的热惯性和容积惯性,使得它的动态 特性对整个系统的动态响应可能有很大的影响.而 且,随着材料科学的不断发展,高温材料越来越多, 如何根据系统的需要选择合适的换热器材料[1],对于整个系统性能的设计优化和经济性有着较大的影 响.因此,高温板翅式换热器详细稳态和动态性能的 研究就显得十分必要. 笔者建立了广泛采用的逆流紧凑板翅式换热器 的动态数学模型,并采用适合于快速动态仿真的容 阻特性建模技术,建立了分布集总参数的板翅式换 热器仿真模型;对不同的板翅材料进行了换热器稳 态和动态仿真试验,分析比较了材料对换热器性能 的影响.该模型同样适用于顺流型板翅式换热器. 1 板翅式换热器动态数学模型 1.1 换热器的结构 逆流板翅式换热器的具体结构示于图1.结构 参数为:Yh和Yc分别为通道翅片内高;Xh和Xc分 别为翅片内距;th和tc分别为翅片厚度;t为隔板厚 度;lh和lc分别为单段通道的长度;W和L分别为 单元有效宽度和长度. 1.2 换热器的数学模型 换热器是用来进行冷热流体热量交换的部件由于同时存在流体的流动和相互传热,它是一个参 数耦合的非线性系统.其动态特性由1组偏微分方 程组表征.影响换热器动态性能的因素有很多,包括 入口流量和温度、传热系数、来流扰动的性质和幅 度、换热器尺寸和结构特性以及流动布置、流体物性 和换热器材料等.1个全面的动态仿真算法就可能 需要考虑到所有这些因素[2]. 为了降低模型的复杂度,在理论分析中特提出 下面假设:①不考虑换热器与外部环境的换热;② 不考虑流体的粘性耗散效应;③同一截面内流体温 度、速度和压力一致,流体沿轴向一维流动,无内部 环流;④流体水平流动,忽略高度变化.在热流通道和冷流通道中考虑了质量、动量和 能量守恒方程,并详细考虑了流体的物性、壁面换热 系数α,压力损失系数α和翅片效率η等参数[3~5]随 通道长度方向的变化.式(1)~式(6)给出了它们详 细的数学描述. 换热器动态特性的控制方程组是相互耦合的, 除了上述7个方程外,再补充用于热流和冷流的状 态方程p=f(ρ,T),这样一共包含9个未知量ρh, uh,ph,Th,ρc,uc,pc和Tc,有9个方程,方程组封 闭,可联立求解. 这是1组非线性偏微分方程,且存在2阶导数, 偏微分方程的求解问题是难以用解析手段加以解决 的,寻找其精确理论解比较困难,一般采用数值解法 求解,但该方法非常耗时且在很多情况下不稳定. 2 仿真建模和仿真条件 偏微分方程组难以求解,不符合系统快速动态 仿真的要求.为了避免流量和压力的耦合迭代,建模 时充分考虑了换热器的容积阻性特性,建立了1个 适合于快速动态仿真的板翅式换热器容阻特性数学 模型[6]式(8)~式(14).然后,在EASY5仿真平台 上建立了逆流紧凑板翅式换热器的仿真模型.该模 型可以作为模块用于后续的燃料电池-微型燃气轮 机混合系统和高温气冷堆等动力系统的模块化建模 和仿真工作. 高温板翅式换热器常用材料的属性示于表1. 除了板翅式换热器的结构和流体的物性参数作 为初始条件外,还需要热流体和冷流体通道的进口 流量、温度以及出口的压力,同时考虑了固体板翅进 出口处热流密度为零. 换热器的几何参数和运行条件: 系统长度为1m,系统宽度为2m,隔板厚度为 0.001m; 热流通道:高度为0.0065m,宽度为0.0042 m,板翅厚度为0.001m,板翅段长为0.05m; 冷流通道:高度为0.0047m,宽度为0.0042 m,板翅厚度为0.0005m,板翅段长为0.05m; 热流体:进口流量为15mol/s,进口温度为 1000K,出口压力为0.4MPa; 冷流体:进口流量为15mol/s,进口温度为500 K,出口压力为0.4MPa. 3 仿真结果及分析 3.1 稳态仿真结果 在相同的运行条件下,对采用不同固体材料的 高温紧凑板翅式换热器进行了稳态性能的仿真,结 果表明它们的稳态分布特性基本相同.图2和图3 给出了采用表1中不同固体材料时压力和温度沿换 热器长度方向的分布特性曲线. 图2给出了热冷流体沿换热器长度方向的压力 无量纲分布特性.压力损失在热流通道约为0.5%, 而在冷流通道中约为1.5%,这主要是由于冷流通 道中温度较低而造成压力损失系数较大. 图3给出了热冷流体和固体板翅沿换热器长度 方向的温度分布特性.热流体会沿着流动方向温度 逐渐降低,通过板翅和隔板的对流换热,不断向冷流 体传递热量,使得冷流体沿着流动方向温度逐渐升高.最终,热流体出口处温度约为717K,冷流体出 口处温度约为836K. 3.2 动态仿真结果 在上述运行条件下,当系统运行了200s时,考 察了在输入量阶跃变化情况下不同板翅材料时换热 器系统的动态响应情况. 图4给出了当热流体的流量突然增加10%时 冷热流体出口处温度的动态响应.图5给出了当热 流体的进口温度突然提高到1200K时冷热流体出 口处温度的动态响应.从图中可知,硅碳陶瓷的动态延迟时间最小,约为600s;三氧化二铝陶瓷和高 温不锈钢的延迟时间基本相同,约为1200s;而常用 的高温合金材料延迟时间最长,约为1600s.这将给 控制系统的设计和优化提供一定的参考. 该仿真结果和文献[2,6]的仿真结果一致,和文 献[10]的实验结果趋势结果一致,证明了该仿真模 型的可行性. 4 结 论 本文建立的高温紧凑板翅式换热器的动态数学 模型和仿真模型不仅可以反映换热器的温度分布特 性和压力分布特性,而且可以进行换热器的快速动 态仿真.这对换热器的设计和优化有一定的指导意义. 对于不同的高温板翅材料,换热器的稳态特性基本相同.对于不同的高温板翅材料,硅碳陶瓷的动 态响应特性最好,而常用的合金材料响应较慢.这将为今后动力系统控制器的设计提供一定的参考.该模型是基于模块化思想建立的,可以作为独立模块用于燃料电池-燃气轮机混合系统、高温气冷堆等动力系统的后续模块化建模和仿真工作中,将简化建模的工作量. |
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