【摘要】：環(huán)境和能源問題日益成為世界經(jīng)濟發(fā)展的焦點,而天然氣作為目前世界一次能源的三大支柱之一,因其熱值高,對環(huán)境污染少,被公認為是潔凈能源,也越來越多的被人們開發(fā)和利用,液化天然氣(LNG)己經(jīng)成為一門迅猛發(fā)展的新興工業(yè)。LNG氣化器是一種專門用于液化天然氣氣化的熱交換設備。開架式海水氣化器(Open-Rack Vaporizer,簡稱ORV)是LNG接收終端內(nèi)重要的大型氣化設備,其氣化性能和效率直接影響LNG終端的負荷能力,也是該設備國產(chǎn)化的瓶頸之一。由此,本文以開架式氣化器為研究對象,在深化國內(nèi)外文獻調(diào)研并結(jié)合氣化器實際應用的基礎(chǔ)上,通過對開架式海水氣化器結(jié)構(gòu)與工作原理進行了分析、設計,采用理論分析、數(shù)值模擬及實驗研究相結(jié)合的方法,研究開架式海水氣化器管內(nèi)流動與傳熱規(guī)律,利用實驗測量了換熱管外壁面液膜的分布特征,在此基礎(chǔ)上,分析了換熱管外壁面液膜內(nèi)部溫度場的分布規(guī)律及結(jié)冰機理,最后通過實驗的方法測試了開架式氣化器換熱管在大溫差傳熱及高內(nèi)壓耦合作用下的應力應變特征,旨在探討更為合理的結(jié)構(gòu)和操作參數(shù),提高開架式海水氣化器的氣化率,為實際工程應用提供數(shù)據(jù)支持,以期提高開架式海水氣化器的國產(chǎn)化工程應用。通過本論文的研究,得出如下結(jié)論:1.分別建立了有/無擾流桿傳熱管內(nèi)部流動和傳熱的數(shù)值計算模型,研究了傳熱管內(nèi)流體流動與換熱過程,分析了影響氣化率的因素,得到了氣化器傳熱管內(nèi)液化天然氣(LNG)多相多組特性與氣化映射關(guān)系。通過數(shù)值模擬可以看出,傳熱管底端進口處LNG溫度、含氣率、混合物流速最低,壓力最大;隨著氣化過程的進行,溫度、含氣率、流速沿管程不斷提高,壓力逐漸降低。2.利用無擾流桿的傳熱管流動和傳熱數(shù)值計算模型,分析了流速、入口溫度等工況參數(shù)及換熱管粗糙度對換熱管內(nèi)介質(zhì)氣化規(guī)律的影響。研究結(jié)果顯示,不同流速和入口溫度工作下,換熱管管內(nèi)介質(zhì)氣化過程相似,但氣化速度不同。入口速度和入口溫度越低,管內(nèi)LNG被加熱時間越長,氣化過程也越充分。在2m到3m之間有一段含氣率陡升的區(qū)域,在3m~6m之間的各截面上,溫度和含氣率基本平穩(wěn)過渡,氣化過程已經(jīng)基本穩(wěn)定。不同工況下的含氣率最終都趨于一個定值則說明該傳熱管的氣化能力是一定的,改變?nèi)肟贚NG速度只能改變氣化過程的反應程度。3.利用換熱管內(nèi)部流動和傳熱數(shù)值計算模型,獲得了帶擾流桿的換熱管內(nèi)部流動與傳熱過程中溫度、流速、壓降等特征參數(shù)與氣化率之間關(guān)系,并用實驗的方法對傳熱過程的結(jié)果進行了對比驗證。在相同邊界條件下,與無擾流桿傳熱管計算結(jié)果相比,擾流桿的存在使得換熱管內(nèi)部LNG氣化效率提高,出口處含氣率相近,速度、溫度均較低。在蒸發(fā)段內(nèi),無擾流桿傳熱管的氣化效果要好于實際帶擾流桿傳熱管的氣化效果;在加熱段內(nèi),兩段流體摻混,在擾流桿的導流作用下,內(nèi)部介質(zhì)的速度增大,使摻混程度高,湍動程度加強,由環(huán)形間隙帶來的高溫介質(zhì)與內(nèi)管內(nèi)溫度較低的介質(zhì)充分混合并持續(xù)進行熱量交換,內(nèi)管內(nèi)的LNG氣化程度增強,相應的帶擾流桿換熱管內(nèi)部的氣化率就高于不帶擾流桿換熱管的氣化率,使得總的含氣率快速上升。擾流桿的增加使內(nèi)管中流體由原來的沿著軸向直線運動,變?yōu)轫様_流桿的螺旋運行,增加了內(nèi)部流體的湍動程度,內(nèi)部流體速度提高,沿程損失加大。在其他條件相同的情況下,比較不同管內(nèi)壁粗糙度情況下兩種傳熱管模型中沿管程不同截面處的氣化率分布,隨著管內(nèi)壁粗糙度的增加,蒸發(fā)段內(nèi)氣化效果向好;帶擾流桿翅片管模型在加熱段內(nèi)略有優(yōu)勢,但管內(nèi)壁粗糙度的變化對含氣率影響較小。4.搭建了開架式氣化器換熱管外壁面水膜特征測試實驗,研發(fā)了海水分布器水膜厚度測量工具,測試了換熱管外壁面上液膜厚度的分布特征,研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)不同換熱翅片間液膜隨分布器垂直距離和水平距離的變化趨勢基本是一致的,且隨著流量的增大,液膜厚度增大,分布器與換熱管之間水平距離對液膜厚度的影響大于分布器與與換熱管之間垂直距離的影響,且隨著流道尺寸的增大,液膜厚度減小,隨著流量及相對位置的變化,液膜厚度基本維持在5mm~10mm之間。5.研究了在實際環(huán)境條件下,普遍存在的熱質(zhì)湍流輸運效應和局部結(jié)冰-氣化等相變過程對氣化器輸運過程的機理問題。通過對不同進口溫度條件下兩種液膜厚度非穩(wěn)態(tài)數(shù)值模擬可以看出,液膜內(nèi)的溫度場是由外向內(nèi)呈梯度變化,當入口海水溫度為273.15K時,液膜內(nèi)部會開始出現(xiàn)結(jié)冰現(xiàn)象。5mm液膜在固液交界面處有結(jié)冰現(xiàn)象,也有融冰現(xiàn)象,結(jié)冰情況動態(tài)變化,固液交界面位置基本浮動變化不大。開始考慮結(jié)冰過程后,10mm液膜時固液之間存在最先可能出現(xiàn)結(jié)冰現(xiàn)象的明顯分界面;整個區(qū)域內(nèi)溫度差異在1K左右。6.用液氮替代LNG對氣化器在通入液氮和管外結(jié)冰兩種工況下的應變開展了試驗研究,分析了氣化器的應變隨液氮入口溫度的變化關(guān)系,由實驗結(jié)果可知:氣化器換熱管束在充入液氮后發(fā)生收縮,且沿液氮流動方向的應變大于垂直方向的應變,這主要是由管道長度決定;同時,相同條件下,離液氮入口越近,應變越大。隨著液氮的氣化,溫度升高,應變減小,在液氮的沸點附近,應變趨于零。集管和匯管的應變值明顯大于換熱管的應變量,且維持較高的應變水平;管外結(jié)冰,將影響換熱管內(nèi)外熱交換,增加應變量,結(jié)冰不僅影響氣化器換熱效果,同時影響氣化器的結(jié)構(gòu)安全。
【圖文】：

的背景與意義，隨著經(jīng)濟的快速增長和工業(yè)的不斷發(fā)展進步，全世界對加的。根據(jù) 2018 年的《BP 世界能源統(tǒng)計年鑒》顯示，201總量為 135.11 億噸油當量，能源消費量較 2016 年增長了 消費中，石油、天然氣和煤炭等化石能源的占比為 85.2%占比為 23.4%。中國，作為世界上能源消費總量位居世界前增長的影響，2017 年的能源消費總量也呈現(xiàn)持續(xù)增長態(tài)勢，2017 年我們國家一次能源的消費總量為 31.56 億噸油當2.9%。對于我們國家而言，由于受天然氣儲量、開采技術(shù)和我國一次能源消費占比與世界能源消費占比相比還存在一為中國、美國、俄羅斯及全球一次能源消費占比情況，通現(xiàn)，雖然我國石油、天然氣、煤炭等化石能源的消費占比本相同，但天然氣消費占比僅為 6.6%，遠低于世界平均水天然氣消費占比相比差距甚遠。

開架式氣化器流動與傳熱特性及特征參數(shù)研究危害性介質(zhì)，其體積約為同量氣態(tài)天然氣體積的 1/600，燃等元素的含量非常少，燃燒產(chǎn)物主要為二氧化碳和水。另示，天然氣燃燒過程的發(fā)熱量略低于石油燃燒過程的發(fā)熱的發(fā)熱量。綜合這兩方面的優(yōu)勢，在環(huán)境問題和能源危機然氣作為一種高效且清潔的化石能源，必然會在未來能源據(jù)重要位置。根據(jù)《2018 年 BP 世界能源展望》預測，到 消費結(jié)構(gòu)中的占比增加到 25%。而我國，，作為能源消費大等嚴重環(huán)境問題的影響，快速發(fā)展天然氣技術(shù)已成為必然
【學位授予單位】：蘭州理工大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2019
【分類號】：TE96

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本文編號：2588766