内置双螺旋结构换热管金属氢化物反应器的传热性能

摘要

针对金属氢化物反应器传热性能较差的问题，提出了更紧凑高效的单进–出口的双螺旋结构换热管。建立了内置螺旋管的金属氢化物反应器的3维数学模型，并采用COMSOL Multiphysics 5.2a软件进行求解。首先，通过热阻分析发现，在不同换热流体入口平均流速（0.5～3.0 m/s）下，导程为15 mm的单螺旋换热管管内对流传热热阻占总热阻的百分比为8.5%～45.2%，这表明管内对流传热热阻对反应器的传热性能有很大影响。然后，研究了换热流体入口平均流速对反应器传热性能的影响，确定了模拟中换热流体入口平均流速的范围，对比分析了单、双螺旋结构对反应器性能的影响。结果表明：当换热流体入口平均流速大于0.5 m/s时，能达到较好的换热效果，换热流体的平均真实温升趋于稳定。减小螺旋导程可以明显提高换热流体的平均真实温升及反应器的传热和输出性能。对于导程为60 mm的单、双螺旋结构管，床层平均温度降至300 K所用时间分别为7 000 s和3 000 s。导程为30 mm的双螺旋结构管的单位重量输出?功率比导程为15 mm的单螺旋结构管更高，可见双螺旋结构管反应器的传热和输出性能均优于单螺旋结构管反应器。双螺旋结构管具有更大的换热面积，在反应器床层内的位置分布更加均匀，从而提升了反应器的传热和输出性能。

关键词

金属氢化物 / 反应器 / 螺旋管 / 双螺旋结构 / 传热性能

基金资助

国家自然科学基金项目（21808143）; 中国博士后科学基金项目（2017M623031）