【摘 要】
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生物质可再生能源在我国具有巨大的发展潜力,其中生物质燃料颗粒是一个重要的方面。生物质燃料换热系统结构中的换热器是生物质燃料颗粒开发应用基础核心部件,其换热器换热性能直接影响着热量的交换与利用。本文针对生物质燃料换热系统换热器展开内流机理及与换热性能研究,建立不同管结构（直形、蛇形、螺旋）的换热器三维几何模型,采用数值计算对三同管类型结构换热器流动换热特性的影响规律展开研究,并搭建蛇形内管生物质燃料
【基金项目】
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甘肃省高等学校产业支撑引导项目（2019C-20）; 陇原青年创新创业团队项目（2020RCXM125）; 甘肃省高等学校创新能力提升项目（2019A-251）; 甘肃省太阳能发电系统工程重点实验室课题
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生物质可再生能源在我国具有巨大的发展潜力,其中生物质燃料颗粒是一个重要的方面。生物质燃料换热系统结构中的换热器是生物质燃料颗粒开发应用基础核心部件,其换热器换热性能直接影响着热量的交换与利用。本文针对生物质燃料换热系统换热器展开内流机理及与换热性能研究,建立不同管结构（直形、蛇形、螺旋）的换热器三维几何模型,采用数值计算对三同管类型结构换热器流动换热特性的影响规律展开研究,并搭建蛇形内管生物质燃料换热器试验台。研究成果如下:（1）搭建蛇形管式生物质燃料换热器试验台进行试验测试,根据试验台参数建立蛇形换热器三维模型,进行数值计算,并与试验测试结果对比分析,开展换热器换热性能研究。结果表明:采用Realizable k-ε模型计算出的数据与试验测试值更为接近,吻合度良好,误差在5%以内;管程烟气入口流量提升对热管内温度影响较大,对壳程温度影响较小;随管程烟气流量增加,管程压降、PEC指数均增大,换热性能得到提升,摩擦系数降低,且降低幅度逐渐减小。（2）建立三种不同形式内管（直形、蛇形、螺旋）生物质燃料换热器三维几何模型,运用数值计算研究不同管型换热器的内流机理及换热特性,并对各自的Nu、f及PEC综合换热指数对比分析,得出:蛇形管管程换热系数比直形管、螺旋管高出16%、5%,浮力存在使高温混合烟气在管中会出现换热恶化现象,在蛇形管和螺旋管中,重力引起的浮升力对高温混合烟气的换热几乎没有影响;壁面热流密度每增加10k W/m2,蛇形、螺旋、直形管管程换热性能整体下降为17%、22%、28%;在换热器壳程中,蛇形管和直形管壳程边缘处温度边界层十分明显,螺旋管换热器壳程边缘处空气温度温度分布不均匀,且出现低温区域;蛇形管换热器对流传热系数最大,随着空气入口速度增加,三种换热器对流换热系数、努塞尔数及传热因子随之增加,PEC与壳程空气入口速度呈现线性增加关系。（3）针对以蛇形管生物质燃料换热器,探究（Re）和特征参数对换热器换热性能的影响,设计五组特征参数蛇形管生物质燃料换热器进行数值计算,结果表明,在蛇形管生物质燃料换热器出口处存在涡流和传热死区,会对换热性能产生一定影响,随着空气入口速度的增加,壳程空气分布更加均匀,换热死区面积减小,壳程流道内涡流混合更充分,湍流效果增强,换热性能提高;管径（d）和蛇形凸起间距（h）对换热器的Nu有较大影响,控制h不变,随速度增加,5组管径的Nu均增大,d较小时,Nu增加幅度较小,随着d增大,Nu增加幅度变大;控制d不变,随着速度增加,5组h的Nu均增加,增加幅度基本一致,h越大,Nu越大。（4）采用ANSYS Workbench进行蛇形内管生物质燃料换热器多目标特征参数优化,重点研究换热管直径d、蛇形凸起间距h及蛇形凸起高度r等多个因素对其湍流传热阻力及蛇形管换热器换热性能的影响。表明,h对Nu的影响较大,r次之,d影响相对最小;阻力系数f的大小由d决定,h次之,而r对其影响相对较小;对PEC值而言,d对其影响最大,h次之,r对其几乎无影响影响。综合考虑Nu、f、PEC,在对蛇形管生物质燃料换热器壳程优化时,优先考虑d和h。
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