耦合氢正仲催化转化过程的低温板翅式换热器的校核方法技术

一种耦合氢正仲催化转化过程的低温板翅式换热器的校核方法，先确定板翅式换热器整体结构、工况和各流体翅片结构参数；然后拟合流体物性，对发生催化转化过程的氢流体，分别拟合正氢和仲氢的物性；再构建压降计算方程组，在发生氢正仲催化转化的流体通道中引入催化剂多孔介质压降源项；构建隔板温度节点计算方程组，若隔板相邻的流体通道中发生氢正仲催化转化，引入由催化剂扩展表面积导致的换热源项；构建流体温度节点计算方程组，在发生氢正仲催化转化的流体通道中，引入氢正仲转化热源项，引入计算仲氢浓度的组分输运方程；最后对构建的方程组进行迭代求解得到板翅式换热器整体的温度场、压力场和仲氢浓度场的分布，本发明专利技术促进氢能源高效利用。发明专利技术促进氢能源高效利用。发明专利技术促进氢能源高效利用。

【技术实现步骤摘要】
耦合氢正仲催化转化过程的低温板翅式换热器的校核方法


[0001]本专利技术涉及耦合氢正仲催化转化的低温板翅式换热器
，尤其涉及一种耦合氢正仲催化转化过程的低温板翅式换热器的校核方法。

技术介绍

[0002]氢是双原子分子，两个氢原子核是绕轴自转的。根据两个核自旋的相对方向，氢分子可分为正氢(Ortho
‑
H2)和仲氢(Para
‑
H2)，简写为o
‑
H2和p
‑
H2，通常的氢是这两种形式氢分子的混合物，正仲氢之间的平衡百分比仅与温度有关，室温以上的温度时，一般称为正常氢，含正氢75％，仲氢25％。平衡氢中仲氢浓度百分比会随着温度的降低而降低，当温度降低氢气液化时，正氢会自发转换为仲氢，并且释放出热量，引起储存的液氢大量汽化，甚至使得储存第一天的蒸发总量达到了总储存量的20％以上，即使把液氢储存在一个理想绝热的容器中，它同样也会发生汽化，在开始的24h内，液氢大约要蒸发损失18％，100h后损失将超过40％，这会导致液氢的损失，同时使得罐内压力上升，因此在设计液氢储罐时要留有一定的裕量空间，这导致氢生产、储存和使用的成本增加。在自然状态下，正仲转化的速率非常缓慢，因此在国外成熟的氢液化设备中，一般都采用了多级催化，在氢液化的降温过程中加速将正氢转化为接近平衡浓度的仲氢，得到仲氢含量95％以上的液氢产品，以减少正仲氢转化引起的液氢蒸发损失。
[0003]板翅式换热器换热器是一种高效、紧凑、轻巧的换热设备，其中的翅片结构是一种理想的催化剂载体，可将其应用于氢正仲连续转化过程，连续转化是将氢正仲转化热及时通过换热器内冷热流体热交换过程移除，使得氢在转化过程中始终保持对应温度下的接近平衡氢的浓度，是公认的耗能最小的转化方式。板翅式换热器流动换热与氢正仲催化转化一体化整合的优势为(1)氢气的冷却换热和正仲转化反应同时进行，不仅加速氢的正仲转化速率，且可有效提高低温冷能的利用效率；(2)填充至换热器通道内的催化剂颗粒使得高压侧氢气流体换热明显增强，可有效减少换热面积和缩小换热设备体积；(3)换热器与正仲转化器合二为一，略去传统的正仲转化反应器及其配套冷却设备，提高了氢液化工艺系统的紧凑性。
[0004]工业中采用的板翅式换热器一般超过两股流体，最多可能会发生20多股流体的流动换热过程，翅片通道数量达到几百层，若其中再集成氢正仲催化转化过程，则整个流动换热过程非常复杂，常规的CFD数值模拟过程显得力不从心，而主流的换热器设计软件如HTRI、ASPEN MUSE和APSEN EDR还未在换热器设计校核模型中集成氢正仲催化转化过程。总体来看，构建一种耦合氢正仲催化转化的板翅式换热器设计校核模型，并完善为一种系统的方法，编写成通用的计算程序，对促进氢能源高效利用，保障国家能源安全、培育新的经济增长点具有重要的战略意义。

技术实现思路

[0005]为了克服上述现有技术的缺点，本专利技术的目的在于提供一种耦合氢正仲催化转化
过程的低温板翅式换热器的校核方法，在换热器计算中引入氢正仲催化转化，计算结果包括板翅式换热器整体的温度场、压力场和仲氢浓度场分布，促进氢能源高效利用。
[0006]为了达到上述目的，本专利技术采取的技术方案为：
[0007]一种耦合氢正仲催化转化过程的低温板翅式换热器的校核方法，包括以下步骤：
[0008]1)给定参数：
[0009]选取多股流的板翅式换热器，确定板翅式换热器整体结构参数、工况参数以及各股流体的翅片结构参数；
[0010]整体结构参数包括换热器的排布方式、换热器芯体的长L、宽W；
[0011]工况参数包括多股流的流体、流体通道层、质量流量、入口温度、入口压力；
[0012]翅片的结构参数为：选择平直翅片时，参数为翅高h
i
、翅距s
i
、翅厚t
i
；选择打孔翅片时，参数为翅高h
i
、翅距s
i
、翅厚t
i
、孔隙率φ
i
；选择锯齿翅片时，参数为翅高h
i
、翅距s
i
、翅厚t
i
、节距l
i
；
[0013]流体通道中填充的氢正仲转化催化剂颗粒的参数是：空隙率ε是0.35，空隙率的定义是填料层内颗粒间空隙体积占总体积的百分比，颗粒直径是0.371mm，催化剂颗粒的导热系数是0.58W
·
m
‑1·
K
‑1；
[0014]2)模型简化及初始化：
[0015]假设流体通道中流体沿着z方向均匀分布，将三维模型简化至二维平面内，另外，在计算中只考虑稳态，认为换热器与周围环境绝热，在流体计算中忽略了导热项,模型的构建中考虑了流体域、翅片和隔板固体域，以及催化剂颗粒固体域，在发生氢正仲催化反应的通道中，采用假设：氢气是由正氢和仲氢组成的单相可压缩气体，通道内的催化剂填料均匀，颗粒近似为球体且直径一致；
[0016]一共有n+1层隔板和n层翅片通道，在隔板中沿着流动方向布置N个节点，而在流体通道中沿着流动方向布置N+1个节点，由隔板中的每个隔板温度节点T
w,i,k
定义一个隔板单元，而由流体通道中的每两个流体温度节点T
i,k
和T
i,k+1
定义一个流体单元，流体温度节点还用来储存压力数据P
i,k
和P
i,k+1
，若流体通道中还发生氢的正仲催化转化，则在相应的温度节点处储存仲氢浓度Pa
i,k
和Pa
i,k+1
，在一个板翅式换热器中一共设置了N
×
(n+1)个隔板单元和n
×
N个流体单元；
[0017]整个计算过程是迭代，在第一个外迭代轮次的计算之前，需要给定一个初始化的温度场、压力场和仲氢浓度场；每层流体通道中的流体温度节点初始化为步骤1)中给定的入口温度，温度节点中储存的压力值初始化为步骤1)中给定的入口压力，在发生氢正仲催化转化的流体通道中，温度节点中还储存了仲氢浓度值，初始化为步骤1)中给定的入口仲氢浓度；
[0018]3)流体物性拟合：
[0019]所需要的流体物性包括比热容、导热系数、动力粘度、密度和普朗特数，物性数据从nist数据库中提取，把流体的密度与温度和压力的关系拟合在样条曲面上，其他类型流体物性则分别与温度拟合在样条曲线上，对于固体的导热系数，拟合成导热系数
‑
温度样条曲线，最后将所有拟合好的样条曲线和样条曲面的参数加载在内存中；
[0020]在发生氢正仲催化转化的翅片通道中，正氢和仲氢的物性需分开拟合，若需要计算某仲氢浓度下氢流体的物性时，根据拟合好的正氢和仲氢的物性插值计算；
[0021]4)计算板翅式换热器流体通道中的压力场分布：
[0022]先计算得到流体通道中每个流体单元的压本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种耦合氢正仲催化转化过程的低温板翅式换热器的校核方法，其特征在于，包括以下步骤：1)给定参数：选取多股流的板翅式换热器，确定板翅式换热器整体结构参数、工况参数以及各股流体的翅片结构参数；整体结构参数包括换热器的排布方式、换热器芯体的长L、宽W；工况参数包括多股流的流体、流体通道层、质量流量、入口温度、入口压力；翅片的结构参数为：选择平直翅片时，参数为翅高h
i
、翅距s
i
、翅厚t
i
；选择打孔翅片时，参数为翅高h
i
、翅距s
i
、翅厚t
i
、孔隙率φ
i
；选择锯齿翅片时，参数为翅高h
i
、翅距s
i
、翅厚t
i
、节距l
i
；流体通道中填充的氢正仲转化催化剂颗粒的参数是：空隙率ε是0.35，空隙率的定义是填料层内颗粒间空隙体积占总体积的百分比，颗粒直径是0.371mm，催化剂颗粒的导热系数是0.58W
·
m
‑1·
K
‑1；2)模型简化及初始化：假设流体通道中流体沿着z方向均匀分布，将三维模型简化至二维平面内，另外，在计算中只考虑稳态，认为换热器与周围环境绝热，在流体计算中忽略了导热项,模型的构建中考虑了流体域、翅片和隔板固体域，以及催化剂颗粒固体域，在发生氢正仲催化反应的通道中，采用假设：氢气是由正氢和仲氢组成的单相可压缩气体，通道内的催化剂填料均匀，颗粒近似为球体且直径一致；一共有n+1层隔板和n层翅片通道，在隔板中沿着流动方向布置N个节点，而在流体通道中沿着流动方向布置N+1个节点，由隔板中的每个隔板温度节点T
w,i,k
定义一个隔板单元，而由流体通道中的每两个流体温度节点T
i,k
和T
i,k+1
定义一个流体单元，流体温度节点还用来储存压力数据P
i,k
和P
i,k+1
，若流体通道中还发生氢的正仲催化转化，则在相应的温度节点处储存仲氢浓度Pa
i,k
和Pa
i,k+1
，在一个板翅式换热器中一共设置了N
×
(n+1)个隔板单元和n
×
N个流体单元；整个计算过程是迭代，在第一个外迭代轮次的计算之前，需要给定一个初始化的温度场、压力场和仲氢浓度场；每层流体通道中的流体温度节点初始化为步骤1)中给定的入口温度，温度节点中储存的压力值初始化为步骤1)中给定的入口压力，在发生氢正仲催化转化的流体通道中，温度节点中还储存了仲氢浓度值，初始化为步骤1)中给定的入口仲氢浓度；3)流体物性拟合：所需要的流体物性包括比热容、导热系数、动力粘度、密度和普朗特数，物性数据从nist数据库中提取，把流体的密度与温度和压力的关系拟合在样条曲面上，其他类型流体物性则分别与温度拟合在样条曲线上，对于固体的导热系数，拟合成导热系数
‑
温度样条曲线，最后将所有拟合好的样条曲线和样条曲面的参数加载在内存中；在发生氢正仲催化转化的翅片通道中，正氢和仲氢的物性需分开拟合，若需要计算某仲氢浓度下氢流体的物性时，根据拟合好的正氢和仲氢的物性插值计算；4)计算板翅式换热器流体通道中的压力场分布：先计算得到流体通道中每个流体单元的压力降，根据流体通道中是否发生氢的正仲催
化转化，将压力降的计算方式分为两种：式(1)是计算由流体温度节点T
i,k
和T
i,k+1
所定义的流体单元中的压力降，若该层流体通道中未填充催化剂颗粒，即未发生氢正仲催化转化，则采用第一种方法，通过该流体单元中的摩擦因子f
i,k
来计算，另外G
i
是每层翅片通道中流体的质量流速，Δl
x
是流体单元沿着流动方向的长度，D
i
该层流体通道中翅片结构的当量直径，ρ
i,k+1
和ρ
i,k
由流体温度节点T
i,k+1
和T
i,k
以及储存在其中的压力值P
i,k+1
和P
i,k
所确定的密度，是是流体单元的密度，f
i,k
和根据该流体单元中的定性温度和定性压力来确定：在流体通道中布置平直翅片、打孔翅片或者锯齿翅片，对锯齿翅片采用如下的方法来计算摩擦因子：式中的α,θ,γ分别是：对于打孔翅片采用如下的方法计算摩擦因子：lnf
i,k
＝28.78906
‑
12.31399lnRe
i,k
+1.565191(lnRe
i,k
)2‑
0.06736098(lnRe
i,k
)3ꢀꢀꢀ
(5)对于平直翅片采用如下的方法计算摩擦因子：Re
i,k
是雷诺数：是雷诺数：是由流体温度节点T
i,k
和T
i,k+1
所定义的流体单元的动力黏度，根据其中的定性温度和定性压力来确定；若该层流体通道中填充了氢正仲催化转化的催化剂颗粒，则需要采用式(1)中的第二种方法来计算流体单元中的压力降，式(1)中的是该流体单元中的流体表观速度，即不考虑流体通道中填充的催化剂颗粒所计算得到的流体单元中的平均速度，α是催化剂颗粒的渗透率，C1是催化剂颗粒的惯性阻力系数，两个参数的计算方法分别是：
式中d
p
是催化剂颗粒的直径，ε是空隙率；根据式(1)计算得到每个流体单元的压力降，在给定每层流体通道入口压力的情况下，即沿着流动方向逐点更新储存在每个温度节点中的压力值；将更新得到的压力场分布与旧的压力场分布进行比较，计算压力场残差，若残差不满足收敛性条件，则重复步骤2)，即在旧压力场的基础上继续更新压力场，直至压力场残差满足收敛性条件，进入步骤5)，在后续步骤的计算中采用了此步更新得到的压力场分布作为各个流体单元的定性压力；5)板翅式换热器隔板温度场分布计算：当隔板相邻的流体通道中填充了催化剂颗粒，此时流体向隔板传导的热量分为三部分，一部分是流体热量通过翅片表面传至翅片固体域，然后热量经翅片固体域传导至隔板固体域中；另一部分是流体热量通过催化剂表面传至催化剂固体域，然后通过催化剂固体域传导至隔板固体域中；第三部分是流体的热量直接通过隔板表面传至隔板固体域中；若隔板相邻的流体通道未填充催化剂颗粒，则流体向隔板传导的热量仅包含第一部分和第三部分。对于翅片和催化剂颗粒固体域，为了简化计算，不考虑沿着轴向即+x或者
‑
x方向的导热，那么由温度节点T
i,k
和T
i,k+1
所定义的流体单元中的翅片和催化剂颗粒固体域的一维导热方程是：式(10)求得翅片和催化剂固体域的温度T
s,i,k
沿着y方向的温度分布，λ
s,i,k
和λ
p,i,k
分别是翅片和催化剂颗粒固体域的导热系数，是一维导热方程中的换热源项，包括了翅片表面与流体之间的换热，以及催化剂颗粒表面与流体之间的换热：式(11)中λ
s,i,k
和λ
p,i,k
分别由流体温度节点T
i,k
和T
i,k+1
所定义的流体单元中翅片和催化剂颗粒固体域的导热系数，α
p
是催化剂颗粒的比表面积，在假设催化剂颗粒大小均匀且均为正球体的情况下，计算方法是：α
p
＝6(1
‑
ε)/d
p
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(12)h
c,i,k
是流体通道中流体和固体域表面的对流换热系数，当流体通道中未填充催化剂时，h
c,i,k
的计算方法是：
式中Pr
i,k
是由温度节点T
i,k
和T
i,k+1
所定义的流体单元的普朗特数，λ
fl,i.k
是该流体单元的导热系数，j
i,k
该流体单元中用来评价翅片表面换热能力的评价指标，对锯齿型翅片，采用如下的j因子关联式：对于打孔翅片，采用关联式：lnj
i,k
＝34.57583
‑
15.92678lnRe
i,k
+2.137607(lnRe
i,k
)2‑
0.09544151
×
(lnRe
i,k
)3ꢀꢀ
(15)对于平直翅片，采用关联式：若流体通道中填充了催化剂颗粒，则流体单元中固体域表面的对流换热系数h
c,i,k
的计算方法是：式中Re
p
是取颗粒直径为特征尺寸，以及流体单元中表观速度所计算得到的雷诺数；根据式(10)、(11)推导得到由温度节点T
i,k
和T
i,k+1
所定义的流体单元中固体域沿着y方向的温度分布：式中，sh和ch分别是双曲余弦和双曲正弦，θ
i,k
、θ
i
‑
i,k
和θ
i
‑
(i+1),k
为翅片、翅片顶部和根部的过余温度；m
e,i,k
、θ
i,k
，θ
i
‑
i,k
和θ
i
‑
(i+1),j
表示如下：表示如下：当得到流体单元中包含的固体域中的温度分布，通过傅里叶导热定律求得流体单元包含的固体域与隔板固体域的导热量；对于一个隔...

【专利技术属性】
技术研发人员：李科，文键，厉彦忠，王斯民，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：