“研究生论坛”金属氢化物反应器的传热性能与反应特性分析

建立了内置螺旋换热管的金属氢化物反应器的三维数学模型,其特点是耦合了螺旋管内载热流体温度变化对反应过程的影响。根据所建模型并采用多物理场软件对反应器传热及反应过程进行数值模拟,分析了不同操作参数下反应器的传热性能与吸氢反应特性。结果表明：吸氢反应过程可划分为三个阶段,第一阶段主要受氢气压力影响,第三阶段主要受传热过程控制,其间为过渡段;氢气压力的减小能降低反应速率和床层平均温度,当其低至0.6MPa时,反应速率显著降低;载热流体温度的升高使传热温差减小,从而导致反应速率降低,当其高至323K时,反应已不能彻底进行;床层中,靠近螺旋管壁处温度较低,反应更为充分,但远离管壁的区域换热性能较差,反应较缓慢,由此指出了换热结构的改进方向。     

金属氢化物储放氢反应器研究进展

金属氢化物储氢具有原料丰富易得、体积储氢密度较高、储放氢条件相对温和且调节范围宽等优点,在氢储运、氢储能、便携氢源等领域应用广泛。金属氢化物在吸放氢时大量放热和吸热的反应特性决定了反应器的热管理效能对整个装置的储放氢性能具有决定性影响。从反应器类型、热管理单元结构演变和热管理效果评价等方面,综述了管式、盘式、罐式、蜂窝式等典型结构金属氢化物储氢反应器的研究进展。对于最常见的罐式反应器,在保证本质安全和较高储氢密度的前提下,综合采用内外结合、扩展传热表面、微通道换热等强化传热技术,设计出外部换热型、内部直管换热型、内部螺旋管换热型、内部微管束换热型、内外复合换热型等热管理结构。就热管理效果而言,仿真与实验研究均表明,随着传热表面的拓展、热交换工艺条件的优化,反应器储放氢过程的可控性大大提高,储放氢性能显著改善。随着金属氢化物储氢材料的不断发展及应用场景的日益多样化,金属氢化物储氢反应器正朝布局均匀化和结构紧凑化方向发展。     

金属氢化物储氢反应器放氢特性的数值模拟

为了研究金属氢化物储氢反应器放氢过程的热质传递特性,建立了金属氢化物反应器的2维轴对称数学模型.此反应器内装填了Ti0.95Zr0.05Mn1.55V0.45Fe0.09储氢合金和膨胀石墨组成的复合压块.通过与文献中实验数据的对比验证了所建立模型的有效性.考察了换热流体温度、流体平均流速和氢气排出压力变化对金属氢化物反...     

内置螺旋叶片转子换热管传热及污垢性能

在相同管长,相同管径及相同实验工况下,对内置螺旋叶片转子换热管和光管进行换热实验,研究了该两种换热管的传热性能,并对比分析实验后两种换热管的污垢沉积厚度,最后利用FLUENT软件研究内置螺旋叶片转子换热管和光管的z=290 mm、z=710 mm两处截面的污垢分布.结果显示:在同样的条件下,内置螺旋叶片转子换热管比光管具有更好的传热性能,前者的传热系数大约是后者的1.3倍左右;相对于光管螺旋叶片转子换热管的传热效果趋于稳定;螺旋叶片的换热管内部污垢沉积分布均匀,并且叶片转子两端区域的污垢沉积分布大致一样;光管内整体污垢分布不太均匀,同一截面处顶端污垢厚度明显大于底端;从光管的入口到光管的出口,颗粒的污垢沉积厚度逐渐增大.内置螺旋叶片转子换热管相对于光管具有良好的抗垢特性,提高了传热效率.     

内螺旋管金属氢化物反应器吸氢过程数值分析及优化

针对金属氢化物反应器传热性能较差的问题,采用田口方法对内置螺旋换热管的氢化物反应器进行了优化研究。建立了金属氢化物反应器的三维多物理场耦合模型并采用COMSOL Multiphysics V4.4软件来求解。采用田口方法安排出具有代表性的螺旋结构参数组合,通过反应器模型计算得到各个组合的性能。结果表明：螺旋管的换热系数和换热面积都较大,因此内置螺旋管的氢化物反应器的性能较理想;随着螺旋数N和螺旋管直径do的增加,反应器的单位重量蓄热功率GHSR大大提高,而螺旋线直径D对反应器性能影响很小;最优的螺旋管参数组合为：D=32mm、N=6和do=8mm,相应的GHSR达到62.90W/kg。     

金属氢化物反应器结构对储氢性能影响研究

建立金属氢化物反应器及测试平台,通过实验测试得到不同水浴温度、放氢流量及反应器结构（方形、蜂窝结构及无隔层）下反应器内部温度和吸/放氢流量数据,确定了不同结构反应器的温度场分布趋势和规律。结果表明,方形结构反应器内部温度变化速率最快,换热效果最好。进一步研究了方形结构反应器在不同吸氢压力和放氢速率下的综合性能。结果表明,当进气压力为2.0～3.0 MPa时,能显著提高合金材料的吸氢量及吸氢速率;当放氢流量小于3.2 L/min时,可放出85%以上的氢气。研究结果可为模块化和系统化设计提供技术指导。     

内置十字形螺旋元件换热管的强化传热研究

针对换热设备传热效率低等问题,研究开发出一种十字形截面传热强化螺旋元件.提出十字形螺旋元件4种强化传热机理,包括轴向流速增大效应强化、螺旋流流速增大效应强化、二次流流速增大效应强化及边界层减薄效应强化.采用理论推导的方法,建立Nu数预测关联式和压力降预测关联式.研究结果表明：传热强化评价值PEC随着心轴直径比的增大而增大,但增加的幅度很小;传热强化评价值PEC在y〈4时,随着叶片宽度直径比的增加而增大,在y〉4后,随着叶片宽度直径比的增加而减小;传热强化评价值PEC随着y的减小而增加,在y〈2时增加明显.强化传热机理的理论分析结果与数值模拟结果吻合良好,具有相同的趋势.     

重力热管在固定床鼓泡反应器中传热性能的实验研究

通过实验,研究了重力热管在固定床鼓泡反应器中的传热性能。分析了热水流量、气体流量、冷却水流量对床层温度分布和热管传热功率的影响．     

金属氢化物的吸附性能和活性炭贮氢的可行性

目前迫切需要解决氢能在输送和存储上的困难。碳材料吸附和金属氢化物吸附储氢都是经济可行的储氢手段。通过所建立的同心圆柱体物理模型,可以计算金属氢化物脱附和吸附反应锋面的瞬时位置,以及反应的热流量和氢气流量。模拟结果证明,氢气流量和热流量对时间的变化与压力有关,也与热源温度有关;表明合金材料的成分和性能对金属氢化物吸附特性有明显的影响。适当地选择村料并加以性能调整,可以提高其性能和效应。从燃料存储系统的重量及其特性看,碳材料吸附储氢比金属氢化物更适合车用。活性炭吸附技术,能够达到吸放氢条件温和、储氢容量大和成本低这三个基本要求。     

横掠滴形管的局部及平均换热

对空气横掠滴形管的局部及平均换热系数进行了测量．实验结果表明，滴形管管外局部换热系数的分布规律与圆管差别较大；其平均换热系数比圆管有显著提高．     

套管换热器换热特性的数值分析

采用三维模型数值模拟了套管的换热特性,分析了套管换热器出口位置、倾角对套管对流换热性能的影响,选择给出了部分截面上的温度、Nusselt数(Nu)和对流换热系数的分布.结果表明:套管出口位置对换热量有重要影响,而倾角对换热量影响很小;温度在热边界层内发生剧烈变化,外管壁面温度变化不明显;对流换热系数随雷诺数(Re)(2 650~10 800)的增加而增加.将Nu的计算结果与Kays和Leung的解析解作了比较,二者吻合很好.     

椭圆H型翅片管压降与换热特性数值模拟

利用商业软件Fluent模拟了烟气在不同流速下流经椭圆H型翅片管的流动和换热过程.利用软件生成了翅片的温度分布云图和烟气的速度云图,比较分析了在不同烟气流速下,翅片的开缝情况对翅片管换热以及阻力特性的影响.结果表明,横开缝的椭圆H型翅片管与纵开缝的相比,其传热效率更高,阻力更小.     

缩放管流动阻力与传热性能的实验研究

在实验室里进行了清洁状态下缩放管的传热性能实验,得出了缩放管管内强制对流换热关联式,并进行了缩放管与对应光管流动阻力和传热性能的对比实验,实验工质为加有MgO颗粒的人工硬水。结果表明,结垢对缩放管流动特性的影响不如对光管的影响大;缩放管不仅有较好的传热性能,还有较好的阻垢性能。     

垂直管内流动相变强化传热的研究

以异丙醇 -水溶液为研究物系 ,引入空气对垂直管内流动相变强化传热进行了实验研究。分析了气体对平均传热膜系数的影响 ,并发现传热膜系数随异种气体的引入量和液速的增加而增加 ,随浓度的增加而下降 ;壁面过热度随着液速和异种气速的增加而降低 ;并在此基础上获得流动相变强化传热的关联式。     

热管技术在碱金属蒸气吸收光谱研究中的应用

阐述了热管中媒质循环输运过程的可利用性。介绍了利用自制热管，在研究金属钠蒸气吸收光谱中的应用。     

垂直管内载气强化二元混合物沸腾传热

在垂直管内二元混合物的流动沸腾传热过程中 ,引入空气作为载气 ,改变其传热机理从而强化其传热性能。研究不同质量分数的乙醇水溶液 ,在不同操作压力、液体流速和载气流速条件下 ,其平均传热膜系数和壁面过热度的变化规律。分析讨论了载气引入强化沸腾传热各因素的影响并对实验数据进行了关联计算。结果表明 ,关联式能较好的反映各因素的影响 ,其偏差在 -2 3 %～ +2 0 %之间 ,平均偏差为 8.3 1 4