超临界LNG印刷电路板式气化器流动换热机理研究及优化
随着全球能源紧缺和环境污染问题的加剧，积极调整能源结构，开发和利用绿色清洁能源、提高能源利用率成为我国能源发展的趋势。天然气是一种优质的清洁能源，其具有资源丰富、燃烧热值高和燃尽后无污染等优点，世界上包括我国在内的很多国家都把天然气作为重要的替代能源。随着海洋天然气开发力度的加大，发展高紧凑度和高效可靠的气化设备成为了天然气气化系统中的关键问题。印刷电路板式换热器（PCHE）具有结构紧凑、传热效率高等优势。研究超临界天然气（S-LNG）在印刷电路板式换热器中的流动传热特性，优化新型高效的PCHE换热结构，对实现能源高效利用具有十分重要的意义。 本文首先对超临界LNG在单翼型通道内的对流传热进行了模拟，通过流场、温度场、Nu数和摩擦阻力系数f等分析了超临界LNG的进口速度和工作压力对其流动传热的影响。结果显示:在入口速度一定的条件下，超临界LNG的工作压力越低，超临界LNG的流速越大，流体的湍流强度就越剧烈，对流传热能力就越强。随着压力的增加，拟临界温度附近的比热值降低，局部传热性能随之降低。超临界LNG在较低的压力下运行具有更好的传热性能。当压力从9.0MPa降低到7.0MPa,PCHE的平均传热性能也在逐渐增大，7.0MPa压力下的平均Nu数比8.0MPa和9.0MPa压力下的平均Nu数分别增加1.4％和2.7％。随着压力的降低，翼型PCHE内超临界LNG的传热能力增强的同时，也伴随着压降的增加。 其次，对超临界LNG在不同翼型通道PCHE的流动与传热特性进行模拟研究，通过二次流分析揭示了其强化传热机理。根据模拟结果总结了流动传热经验关联式，并使用相同质量流量准则对多种翼型通道进行综合性能评价，选择出传热性能最佳的翼型结构。结果表明:随着入口流速的增加，翼型的传热性能也随之增加。在相同的入口速度下，NACA0024的Nu数相比NACA63,NACA23021和NACA2421分别提升14.4％,7.3％和6.2％,比较所有翼型结构的结果表明，对称翼型比非对称翼型具有更好的传热性能。其次，合适的翼型结构能够减小边界层的影响，使用翼型可以增加内部流动的扰动,利于二次流的形成，同时改变温度梯度和速度矢量来强化传热，NACA0024翼型的阻力性能最差，NACA63的阻力性能最好。最后，采用相同质量流量准则，对四种翼型的综合性能进行了比较。翼型通道的综合性能均优于直通道。所有翼型的传热速率随着雷诺数的增加而增加，NACA0024提供了最佳的强化传热效果。 最后，分析了结构参数对超临界LNG在翼型通道内的流动传热的影响，提出了新型翼型布置方式——非均匀排列，通过数值模拟对超临界LNG在非均匀布置PCHE内流动传热性能进行了分析，使用综合评价指标对五种新型翼型布置及传统翼型布置方式进行评价，得到综合性能最佳的翼型通道PCHE。结果表明:翼型交错布置和适当的稀疏布置更有利于流动和传热。在交错距离(Ls=4mm)相同的条件下，垂直距离Lv=5mm分别比Lv=2mm、Lv=3mm和Lv=4mm分别增加25.3％、14.5％和5.9％。其次，对于翼型翅片的PCHE,上游更密集的翼型翅片布置是改善整体传热性能的良好选择，这六种情况下的最佳翼型布置为上游密集布置(Case3)。在研究的入口速度范围内，与平均布置(Case1)相比，上游密集布置1(Case2)、上游密集布置2(Case3)、下游密集布置1(Case4)、下游密集布置2(Case5)和两端密集布置(Case6)的PEC值的平均相对偏差分别为4.6％、6.2％、-6.9％、-6.1％和-4.5％。 本文按照“单翼型通道——翼型选型——结构优化”的顺序，对超临界LNG在PCHE中的流动规律及传热机理进行了研究，分析了不同翼型结构和不同布置方式对流动传热的影响，创新地提出了非均匀翼型布置方式，研究了新布置方式对流动传热性能的影响。本文工作可为超临界LNG的流动传热机理研究、PCHE强化传热和通道优化设计工作提供参考。
印刷电路板式换热器;超临界LNG;结构优化;强化传热
西安石油大学
硕士
动力机械及工程
唐凌虹
2023
中文
TU832.27
2023-08-28（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）