螺旋细通道金属氢化物反应器传热强化及性能研究

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1、ｔＴＱ０５２．５学校代码：１０６９７ｊ费级：公开学号：２０１５２０７１４ＡＮｏｒｔｈｗｅｓｔＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ颀士字位论文ＭＡ’ＳＴＥＲＳＤＩＳＳＥＲＴＡＴＩＯＮ螺旋细通道金属氢化物反应器＿传热强化及性能研究ｔ：工学科名称化学程，作者：李珊珊王玉．指导老师：琪教授西北大学学位评定委员会二〇一八年StudyonHeatTransferIntensificationandPerformanceofSpiralMini-channelMetalHy

2、dridesReactorAthesissubmittedtoNorthwestUniversityinpartialfulfillmentoftherequirementsforthedegreeofMasterinChemicalEngineeringByShanshanLiSupervisor:YuqiWangProfessorJune2018摘要摘要金属氢化物反应器由于储氢量大、压力低、耗能小等优点，成为储存和运输氢气的重要工具。氢化物与氢气反应过程中伴随着强吸/放热效应，使得反应器内的传热速率成为影响吸

3、放氢性能的关键因素之一。本文针对具有良好的弹性以及温度补偿功能的螺旋细通道反应器进行了深入研究，并利用多元价值取向模型对多种反应器进行了综合评价。本文为了更好的对螺旋管结构参数进行优化，根据热平衡方程建立了圆形螺旋细通道反应器模型，并加工制作了反应器实物。通过数值模拟和实验对螺旋管换热器展开了研究，并实验获得螺旋管对流给热系数方程。通过模拟得出：螺旋管内流体与床层之间的强制对流换热是反应器的主要传热方式；圆形螺旋管结构参数对床层作用效力的数值模拟结果为Dc>Dt>Pt；并且随着流体流量变大，增加单位流量对床层温度

4、的影响越来越小。利用床层数值模型方程对比了螺旋管管型对传热性能的影响，结果得出，不同管型螺旋管的传热性能顺序为椭圆螺旋管>圆形螺旋管>方形螺旋管。在此基础上，本文提出了仿生椭圆双螺旋细通道反应器(ConjugateEllipticalSpiralMini-channelReactor，简称C-ESMR)，该反应器与椭圆单螺旋细通道反应器相比吸/放氢床层最大轴向温差分别减小5.1K/5.6K。通过对反应器参数和操作条件优化得出：椭圆双螺旋管最佳安装相位角为180°，结构参数对床层的作用效力顺序为Dc>A>B>Pt>

5、α，连续式吸放氢循环过程最佳吸氢/放氢压力为0.8MPa/0.1MPa，且降低吸氢温度、提升放氢温度均能减少循环时长。最后，采用多元价值取向模型对不同反应器方案进行了系统的分析评估，结果表明C-ESMR的综合优度高达0.8816，明显优于其他反应器，具有较高的储氢效率和重大的研究应用前景。关键词：对流给热系数，仿生椭圆双螺旋管，传热，传质，多元价值取向模型IABSTRACTABSTRACTMetalhydridereactorisanimportanttoolforhydrogenstorageandtransp

6、ortation,whichhasmanyadvantagessuchaslargehydrogenstoragecapacity,lowpressure,andlowenergyconsumption.Duetothereactionbetweenhydrideandhydrogenisanexothermicandendothermicprocess,theheattransferrateinsidethereactorisoneofthekeyfactorsaffectingtheperformanceof

7、hydrogenabsorptionanddesorption.Inthisthesis,thespiralmini-channelreactorwithgoodelasticityandtemperaturecompensationwereoptimized.andamulti-elementvaluedmodelwasusedtocomprehensivelyevaluatevariousreactors.Tofurtheroptimizethespiralpipestructureparameters,ar

8、oundspiralmini-channelreactormodelwasestablishedbasedontheheatbalanceequation,andthereactorwasalsoproduced.Thespiraltubeheatexchangerwasstudiedthroughnumericalsimulations,andexperimentall