化学回热器的设计技术研究与性能分析

论文摘要

化学回热燃气轮机循环具有环保、高效等优点,是非常有前景的研究方向。化学回热器是该循环的核心部件,燃料和蒸汽的强吸热重整反应过程以及对排气余热的充分回收过程都发生在其中,可以说,该部件在循环中起着至关重要的作用,因此对其进行设计方法研究与总体性能分析具有非常重要的意义。本文主要是探索一种适用于化学回热器的设计方法,并最终对该部件进行性能仿真分析。在研究过程中主要采用了数值模拟、编程以及仿真等研究方法。首先,运用fluent流体力学计算软件对翅片单管(化学回热器的换热部件)进行了流体换热及流动的数值模拟。并对单管在不同设计工况点下的模拟结果进行分析,得出了换热量与各参数之间的因变关系,最终整理出换热准则关联式。其次,针对甲烷水蒸汽重整反应体系(本文运用了预转化工艺),通过热力学分析及理论计算,建立了完整的催化重整数学模型。在此基础上,借助MATLAB汇编语言对该化学回热器的工作过程进行了编程计算。为了尽量减小线性化方法所带来的误差以提高计算的精确度,计算时所采用的数学模型没有进行线性化处理,而是直接对非线性化方程组进行了编程与计算。最后,在确定了化学回热器的结构之后,利用simulink仿真工具对化学回热器的整体性能进行了仿真分析。考察了管内外流体温度、流量等因素对体系平衡组成及出口参数的影响,探讨了甲烷转化率、氢气产量等的变化情况,为获得最佳转化率奠定了基础。针对化学回热器设计方法的研究,本文首次提出了一套新颖的设计方法,即是对换热的数值模拟与对该部件整体工作过程的编程计算两个部分结合的设计研究方法。该方法的提出为合理地设计化学回热器提供了依据。此外,在对化学回热器进行性能仿真时,得出了以下结论：在一定条件下,增加排气余热和燃料气体入口温度时将改善催化重整反应进行的程度,然而增加燃油流量和烟气流量将在一定程度上减弱催化重整反应的进行。对该部件进行的性能分析,使我们更好地了解了它的工艺流程,并为工艺参数的设置提供了参考。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 研究的目的和意义
• 1.2 国内外研究进展
• 1.2.1 常规翅片管换热器的研究方法
• 1.2.2 甲烷水蒸汽重整制氢
• 1.2.3 预转化及膜分离技术
• 1.3 本文主要研究内容
• 第2章 换热单管的数值模拟与分析
• 2.1 引言
• 2.2 数学模型
• 2.2.1 流体流动与传热传质的基本控制方程
• 2.2.2 湍流模型
• 2.2.3 状态方程
• 2.3 数值模拟前处理
• 2.3.1 计算模型的建立
• 2.3.2 网格划分
• 2.3.3 边界条件
• 2.4 数值模拟过程及结果分析
• 2.4.1 气相湍流模拟及边界条件
• 2.4.2 模拟结果分析
• 2.5 本章小结
• 第3章 甲烷蒸汽重整反应过程热力学分析
• 3.1 预转化工艺及膜分离技术
• 3.1.1 预转化工艺
• 3.1.2 膜分离技术
• 3.2 化学反应体系的工艺条件及催化剂
• 3.3 甲烷蒸汽重整反应原理
• 3.3.1 柴油的预转化反应
• 3.3.2 化学平衡常数及平衡组成的计算
• 3.3.3 化学平衡常数与温度的变化关系式
• 3.3.4 蒸汽转化反应体系热量衡算
• 3.4 本章小结
• 第4章 化学回热器的设计方法总结
• 4.1 换热面积的确定
• 4.1.1 管程数的计算
• 4.1.2 管根数的计算
• 4.1.3 换热面积的确定
• 4.2 设计方法的总结
• 4.3 本章小结
• 第5章 化学回热器的仿真研究及结果分析
• 5.1 引言
• 5.2 化学回热器的整体仿真
• 5.2.1 换热及催化重整仿真模型
• 5.2.2 化学回热器整体仿真模型
• 5.3 仿真结果分析
• 5.3.1 甲烷质量分率的变化规律分析
• 5.3.2 管内外流体温度的变化规律分析
• 2含量的变化规律'>5.3.3 H₂含量的变化规律
• 5.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果
• 致谢