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空温式液化天然气气化器传热性能研究

作　者: 刘珊珊
导　师: 焦文玲
学　校: 哈尔滨工业大学
专　业: 供热、供燃气、通风及空调工程
关键词: LNG空温式气化器传热性能数值模拟翅间距管束
分类号: TU996
类　型: 硕士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

随着能源的日益短缺及环境保护政策的大力实施，空温式气化器以其清洁、能耗低的优势在液化天然气（Liquefied Natural Gas，简称LNG）气化站内得到广泛应用。我国自主设计制造的空温式气化器仍停留在较低水平，缺乏自主创新和优化设计，一般是依据现有经验进行制造和设计。空温式气化器的传热性能研究是一项十分重要的技术基础性工作，可为空温式气化器的合理选型及经济评价提供理论依据，也可作为工程设计的参考，具有现实意义。依据我国进口LNG的组成特点，确定本文中LNG的气样组成，选用适用于各个热物性参数的混合规则以及计算模型，计算了LNG（NG）混合物的热物性参数并拟合了以温度为自变量的多项式函数。依据泡点和露点的定义式，编写程序计算特定压力和组分下LNG的泡点与露点温度，为后续的数值模拟打下基础。建立LNG在空温式翅片管气化器内气化的数值计算模型。对翅片管内沸腾相变和管外空气侧自然对流的传热传质过程进行分析，确定了本文研究的流动区域主要属于湍流流态，空气流动可视为“纯”自然对流；对于计算模型中的流固耦合传热问题，采用shadow面的方法确保耦合界面热边界条件的一致；用混合物模型处理管内LNG两相流动，编写UDF函数来描述LNG的气化过程。对空温式气化器单根翅片管进行数值模拟，得到了温度场、速度场及空气对流传热系数的分布，并分析了空气温度和入口流速对翅片管传热性能的影响。经过整理和分析，发现空气温度越高，翅片管传热性能越好，天然气出口温度越高；随着入口流速的增大，总换热量增大，但天然气出口温度降低，即对于特定结构参数的翅片管来说，存在最优入口流速。对空温式气化器相邻两根翅片管进行数值模拟，对比分析了单柱管与单管传热性能的差异以及翅间距对两根翅片管传热性能的影响，综合考虑翅片管总换热量和单位体积换热量随翅间距的变化规律，确定了翅片管的最优翅间距。对由9根翅片管组成的空温式气化器进行数值模拟，得到了空温式气化器横截面的空气速度场分布，并选定不同空间位置的3根单柱管为主要研究对象，对比分析了3根单柱管的空气侧换热系数、总换热量及气化率的变化关系，并得出结论：翅片管束的传热效果受到空间位置的影响，与越多的翅片相邻，其传热效果就越差。

全文目录

摘要  4-5
Abstract  5-10
第1章绪论  10-21
  1.1 课题的背景及意义  10-17
    1.1.1 我国天然气工业的发展  10-11
    1.1.2 LNG 气化站及气化器简介  11-14
    1.1.3 LNG 空温式气化器简介  14-16
    1.1.4 课题研究的意义  16-17
  1.2 国内外同类课题的研究现状  17-19
    1.2.1 沸腾换热两相流  17-18
    1.2.2 空气侧结霜  18-19
    1.2.3 翅片管传热研究  19
  1.3 本文主要研究内容  19-21
第2章热物性参数拟合计算  21-35
  2.1 LNG 气样组成  21
  2.2 混合规则  21-22
  2.3 热物性拟合计算  22-32
    2.3.1 LNG 热物性拟合计算  22-27
    2.3.2 气态天然气热物性拟合计算  27-31
    2.3.3 干空气热物性拟合计算  31-32
  2.4 泡点和露点的计算  32-33
  2.5 本章小结  33-35
第3章 LNG 空温式气化器传热传质特性分析  35-43
  3.1 管内沸腾相变传热传质  35-39
    3.1.1 液化天然气传热特性  35-36
    3.1.2 液化天然气气化机理及特性  36-37
    3.1.3 管内沸腾流型与传热分析  37-38
    3.1.4 低温介质两相流理论模型  38-39
  3.2 管外空气侧对流传热分析  39-41
    3.2.1 翅片管外空气流动状态  39-41
    3.2.2 大空间与有限空间自然对流  41
  3.3 相变和自然对流的耦合  41-42
  3.4 本章小结  42-43
第4章 LNG 空温式气化器单根翅片管数值模拟  43-59
  4.1 Fluent 软件介绍  43-44
  4.2 数学模型的建立  44-47
    4.2.1 模型简化假设  44-45
    4.2.2 通用控制方程  45
    4.2.3 湍流流动模型  45-46
    4.2.4 混合物模型  46-47
    4.2.5 气化 UDF 函数  47
  4.3 数值模拟  47-50
    4.3.1 操作参数  47-48
    4.3.2 网格划分  48-49
    4.3.3 边界条件  49-50
    4.3.4 求解器设置  50
  4.4 模拟结果与分析  50-54
    4.4.1 温度场分布  50-52
    4.4.2 速度场分布  52-53
    4.4.3 管内气化率分布  53
    4.4.4 传热系数  53-54
  4.5 空气温度的影响  54-56
  4.6 LNG 流速的影响  56-58
  4.7 本章小结  58-59
第5章空温式气化器翅片管管束传热特性研究  59-67
  5.1 两根翅片管数值模拟  59-62
    5.1.1 数值模型  59-60
    5.1.2 模拟结果对比与分析  60-61
    5.1.3 翅间距对传热效果影响  61-62
  5.2 翅片管束数值模拟  62-66
    5.2.1 不同位置单柱管的温度分布  63-64
    5.2.2 速度分布云图  64-65
    5.2.3 空气侧对流系数和换热量的对比  65
    5.2.4 管束内 LNG 温度和气化率分布  65-66
  5.3 本章小结  66-67
结论  67-69
参考文献  69-74
致谢  74

空温式液化天然气气化器传热性能研究

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