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《兰州理工大学》 2019年
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开架式气化器流动与传热特性及特征参数研究

苏厚德  
【摘要】:环境和能源问题日益成为世界经济发展的焦点,而天然气作为目前世界一次能源的三大支柱之一,因其热值高,对环境污染少,被公认为是洁净能源,也越来越多的被人们开发和利用,液化天然气(LNG)己经成为一门迅猛发展的新兴工业。LNG气化器是一种专门用于液化天然气气化的热交换设备。开架式海水气化器(Open-Rack Vaporizer,简称ORV)是LNG接收终端内重要的大型气化设备,其气化性能和效率直接影响LNG终端的负荷能力,也是该设备国产化的瓶颈之一。由此,本文以开架式气化器为研究对象,在深化国内外文献调研并结合气化器实际应用的基础上,通过对开架式海水气化器结构与工作原理进行了分析、设计,采用理论分析、数值模拟及实验研究相结合的方法,研究开架式海水气化器管内流动与传热规律,利用实验测量了换热管外壁面液膜的分布特征,在此基础上,分析了换热管外壁面液膜内部温度场的分布规律及结冰机理,最后通过实验的方法测试了开架式气化器换热管在大温差传热及高内压耦合作用下的应力应变特征,旨在探讨更为合理的结构和操作参数,提高开架式海水气化器的气化率,为实际工程应用提供数据支持,以期提高开架式海水气化器的国产化工程应用。通过本论文的研究,得出如下结论:1.分别建立了有/无扰流杆传热管内部流动和传热的数值计算模型,研究了传热管内流体流动与换热过程,分析了影响气化率的因素,得到了气化器传热管内液化天然气(LNG)多相多组特性与气化映射关系。通过数值模拟可以看出,传热管底端进口处LNG温度、含气率、混合物流速最低,压力最大;随着气化过程的进行,温度、含气率、流速沿管程不断提高,压力逐渐降低。2.利用无扰流杆的传热管流动和传热数值计算模型,分析了流速、入口温度等工况参数及换热管粗糙度对换热管内介质气化规律的影响。研究结果显示,不同流速和入口温度工作下,换热管管内介质气化过程相似,但气化速度不同。入口速度和入口温度越低,管内LNG被加热时间越长,气化过程也越充分。在2m到3m之间有一段含气率陡升的区域,在3m~6m之间的各截面上,温度和含气率基本平稳过渡,气化过程已经基本稳定。不同工况下的含气率最终都趋于一个定值则说明该传热管的气化能力是一定的,改变入口LNG速度只能改变气化过程的反应程度。3.利用换热管内部流动和传热数值计算模型,获得了带扰流杆的换热管内部流动与传热过程中温度、流速、压降等特征参数与气化率之间关系,并用实验的方法对传热过程的结果进行了对比验证。在相同边界条件下,与无扰流杆传热管计算结果相比,扰流杆的存在使得换热管内部LNG气化效率提高,出口处含气率相近,速度、温度均较低。在蒸发段内,无扰流杆传热管的气化效果要好于实际带扰流杆传热管的气化效果;在加热段内,两段流体掺混,在扰流杆的导流作用下,内部介质的速度增大,使掺混程度高,湍动程度加强,由环形间隙带来的高温介质与内管内温度较低的介质充分混合并持续进行热量交换,内管内的LNG气化程度增强,相应的带扰流杆换热管内部的气化率就高于不带扰流杆换热管的气化率,使得总的含气率快速上升。扰流杆的增加使内管中流体由原来的沿着轴向直线运动,变为顺扰流杆的螺旋运行,增加了内部流体的湍动程度,内部流体速度提高,沿程损失加大。在其他条件相同的情况下,比较不同管内壁粗糙度情况下两种传热管模型中沿管程不同截面处的气化率分布,随着管内壁粗糙度的增加,蒸发段内气化效果向好;带扰流杆翅片管模型在加热段内略有优势,但管内壁粗糙度的变化对含气率影响较小。4.搭建了开架式气化器换热管外壁面水膜特征测试实验,研发了海水分布器水膜厚度测量工具,测试了换热管外壁面上液膜厚度的分布特征,研究结果发现不同换热翅片间液膜随分布器垂直距离和水平距离的变化趋势基本是一致的,且随着流量的增大,液膜厚度增大,分布器与换热管之间水平距离对液膜厚度的影响大于分布器与与换热管之间垂直距离的影响,且随着流道尺寸的增大,液膜厚度减小,随着流量及相对位置的变化,液膜厚度基本维持在5mm~10mm之间。5.研究了在实际环境条件下,普遍存在的热质湍流输运效应和局部结冰-气化等相变过程对气化器输运过程的机理问题。通过对不同进口温度条件下两种液膜厚度非稳态数值模拟可以看出,液膜内的温度场是由外向内呈梯度变化,当入口海水温度为273.15K时,液膜内部会开始出现结冰现象。5mm液膜在固液交界面处有结冰现象,也有融冰现象,结冰情况动态变化,固液交界面位置基本浮动变化不大。开始考虑结冰过程后,10mm液膜时固液之间存在最先可能出现结冰现象的明显分界面;整个区域内温度差异在1K左右。6.用液氮替代LNG对气化器在通入液氮和管外结冰两种工况下的应变开展了试验研究,分析了气化器的应变随液氮入口温度的变化关系,由实验结果可知:气化器换热管束在充入液氮后发生收缩,且沿液氮流动方向的应变大于垂直方向的应变,这主要是由管道长度决定;同时,相同条件下,离液氮入口越近,应变越大。随着液氮的气化,温度升高,应变减小,在液氮的沸点附近,应变趋于零。集管和汇管的应变值明显大于换热管的应变量,且维持较高的应变水平;管外结冰,将影响换热管内外热交换,增加应变量,结冰不仅影响气化器换热效果,同时影响气化器的结构安全。
【学位授予单位】:兰州理工大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2019
【分类号】:TE96

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