绕管式换热器壳侧液体降膜流流动和传热特性研究

作     者：何娜 

作者单位：兰州理工大学 

学位级别：博士

导师姓名：陈学东;俞树荣

授予年度：2022年

学科分类：080706[工学-化工过程机械] 08[工学] 0807[工学-动力工程及工程热物理] 

主      题：绕管式换热器 降膜流动 流动特性 传热特性 数值模拟 试验研究 

摘      要：绕管式换热器具有传热系数高、热补偿性能好、操作范围广等特点,常作为主低温换热器被广泛应用于大型天然气液化工厂。绕管式换热器性能对天然气的液化效率有很大影响,绕管式换热器的准确工艺设计是天然气液化工厂正常运行的前提。绕管式换热器由钢制壳体和缠绕管束组成,在天然气液化过程中,气态天然气从换热器下方进入缠绕管束,在管内放热冷凝;混合冷剂从换热器上方流入壳体,向下吸热蒸发。由于绕管式换热器的壳侧热阻占主导地位,绕管式换热器的优化设计主要集中在壳侧。绕管式换热器的传热性能受分布到管束上流体的分布状态影响。为了确保流体分布均匀,通常在壳侧流体入口处设置分布器。分布器的布液性能对绕管式换热器的传热性能有直接影响,对分布器进行优化设计是绕管式换热器设计的一个关键问题。同时绕管式换热器结构复杂,流体有多种流动形式,结构参数和流体流型对传热性能有显著影响。目前对于绕管式换热器的传热机理尚未完全掌握,针对结构参数对传热性能的影响以及不同流型下的传热机理仍需进行更深入的研究。绕管式换热器体积巨大,很难实现整机测试,采用数值模拟和小型样机测试是研究绕管式换热器流动及传热特性的有效方法。本文采用三维数值模型,研究分布器结构参数对管外液体降膜流的影响,同时根据绕管式换热器管束结构形式,建立缠绕管外液体降膜流的流动及传热数值模型,分析结构参数对液体降膜流流动及传热特性的影响。根据绕管式换热器的结构形式和数值模拟结果,设计小型测试样机,并对测试样机进行流动及传热性能测试。本文的主要研究内容和取得的成果如下:1)建立分布器在水平管外布液的液体降膜流数值模型。基于分布器轴向开孔截面相同的原则设计不同结构的分布器。通过对每种分布器的布液过程进行数值模拟,分析分布孔直径、分布孔间距、分布器布液高度对水平管外降膜流动的影响,同时分析分布参数之间的关联性和交互作用。2)给出分布器布液性能评价指标。采用管间液柱均匀度和管外液膜均匀度评价分布器的布液性能,同时给出了管间液柱均匀度评价方法和管外液膜均匀度的计算方法。进一步分析了分布孔直径、分布孔间距、布液高度对分布器布液性能的影响。基于分析结果给出了分布孔轴向开孔截面积确定时的最佳布液方案,并对优化结果进行了验证。3)建立绕管式换热器缠绕管外降膜流动的数值模型,进行不同缠绕角管外降膜流动的数值模拟。分别在滴状流、柱状流和层状流时观察管外液膜的分布状态,分析了缠绕角对管外降膜流动的影响,给出了液膜厚度的轴向和周向分布。分析了雷诺数对缠绕管外降膜流动状态的影响,测量了雷诺数2000,缠绕角≤20°时缠绕管外液膜的平均厚度,得到了雷诺数、缠绕角对管外液膜厚度分布的影响规律。4)建立绕管式换热器缠绕管外液体降膜流的传热数值模型。通过传热数值模型,分析了液体降膜流的传热特点和传热机理。模拟了不同流体入口温度、不同管壁温度、不同工作压力及不同流动工质时的传热状态,计算了传热膜系数,基于计算结果给出了考虑缠绕角影响的液体降膜流传热关联式。5)根据绕管式换热器的结构特点和数值分析的结果设计了小型测试样机。小型样机的设计参数满足真实绕管式换热器的工况条件,测试样机的结构参数与真实换热器的结构参数一致。根据设计条件完成了测试样机的结构设计和工艺设计,并实现了测试样机壳侧流动过程可视化。6)设计了测试样机测试流程。在原有试验台的基础上对测试平台进行了改造,实现了测试流体为丙烷和乙二醇水溶液的流量、压力、温度等参数的调节、控制和测量。7)完成了测试样机流动和传热性能测试。进行了测试样机壳侧流体为液体丙烷,管侧流体为乙二醇水溶液的流动和传热性能测试。在满足测试安全与测量精度的前提下完成了冷态下流动状态观测及传热状态下传热膜系数测试。