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深冷翅片管气化器管内相变换热研究

韩宏茵  
【摘要】:在低温工程中,翅片管气化器作为常见的换热器设备之一,常用来气化液氧、液氮、液氩、液化天然气等低温工质,其管道内部低温工质常伴随着气液相变过程的发生。这一现象的产生使得与一般情况下的换热器相比,工作过程更为复杂,工质的热物性不仅变化剧烈,而且更加难于准确确定整个物理变化过程。另一方面,对于气化器管内沸腾换热的可视化实验工作实现起来比较困难,因此要想采用实验的方法从微观的角度描述这一相变换热过程也变得更加不切实际。开展翅片管气化器管内相变换热的研究,对进一步准确分析和预测气化器的传热性能,有着重要的实际意义和工程意义。 为研究翅片管气化器管内相变流动的传热特性,本文通过理论分析和数值模拟两方面对气化器管内低温液氮相变流动传热过程进行了研究。 首先,在参考国内外大量文献的基础上,总结了翅片管气化器管内低温液体相变传热过程的特点,并将气化器管内低温液体流动的沸腾换热过程化分为过冷流动沸腾传热区、饱和流动沸腾传热区、两相强制对流传热区及缺液传热区四个传热区域,并分别建立了各个区的传热计算关联式。 其次,采用计算流体动力学仿真软件FLUENT,对不同液氮进口流量下的翅片管气化器管内相变流动传热过程进行了三维稳态数值模拟。主要工作如下: (1)建立翅片管气化器物理和数值模型,采用混合物模型作为多相流计算模型,用RNGk ε模型来描述流体的湍流流动过程,对液氮在气化器管内的相变过程使用用户自定义函数(UDF)加入到FLUENT计算过程中。 (2)通过数值模拟,得到了不同进口流量下管内流体温度、压力、总换热量、压力降、氮气含气率、气化体积等参数的分布,以及不同进口流量下,氮气含气率沿管长的分布,并且分析总结了各个参数变化的原因。所得的结论对翅片管气化器传热设计计算及优化提供了一定的指导意义。


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