论文部分内容阅读
LNG产业的迅猛发展是我国降低单位GDP能耗、缓解环境污染、改善能源结构的内在要求,LNG换热器低温强化传热是降低LNG生产成本、提高冷能利用效率的关键环节。目前由于存在LNG低温换热介质适应性不强、换热效率低、成本高和控制困难等问题,LNG冷能回收利用的范围受到较大程度的限制,其效果也不理想。在低温换热介质中添加不凝性气体,可有效增强其适应性,但同时也会影响其冷凝传热过程。因此,本文采用模拟分析和实验研究相结合,研究含不凝性气体冷媒与LNG的换热系统性能并探讨采用强化传热技术提高其冷凝性能具有重要的理论意义和实践价值。本文利用FLUENT软件对含不凝性气体的丙烷冷媒换热系统进行模拟研究。模拟结果显示:随着冷凝的进行,边界层的气膜厚度随着不凝性气体浓度的增加而加厚,但浓度增加到3%（体积百分含量）时,浓度对气膜的影响开始减缓;壁面温度越低则气膜越厚,壁面温度为120K时的气膜比200K时气膜的厚度增加了46%;冷媒速度提高会减薄气膜厚度,但速度>1.5 m/s后,速度对气膜的影响已不显著。利用模拟所得到的数据,对含不凝性气体的冷媒C1-C4体系、N2-C4体系、C1-C3体系、N2-C3体系进行冷凝传热系数拟合,得到了系列关联式,可供该类换热器设计提供参考。根据含氮气的丙烷换热过程,建立了物理和数学模型,研究了光滑圆管、螺旋扁管内流体的传热与流动特性。从模拟结果得知随着Re的增加,湍流程度呈现上升趋势,传热系数进一步增大。同时发现螺旋扁管的冷媒冷凝传热系数为光滑圆管的1.31.4倍之间。为了证实含氮气的丙烷冷媒与LNG在螺旋扁管中的换热模拟结果的可靠性,建立了螺旋扁管换热实验平台,分别对含空气的蒸汽与水、空气与水、油与水在螺旋扁管管内和管外换热性能进行了研究,并把实验结果与模拟结果作对比,结果表明,对于不同的工质对,螺旋扁管相比光滑圆管的换热效率都有所提高,强化传热倍数大致在1.181.42之间。通过对冷媒系统及换热设备传热过程的模拟和优化分析,设计了一种新型的含氮气的丙烷冷媒、采用螺旋扁管作为换热管的强化换热工艺,并结合某LNG卫星站冷能利用系统进行了工艺方案的可行性分析。该LNG卫星站气化量为400020000Nm3/h,气化压力为0.30.5MPa,气化温度为-150℃。把含氮气的丙烷新系统与原R404A系统的操作安全性能、监控灵敏性、制造成本与运营成本等进行了对比分析,结果表明新系统相比原系统在操作安全、监控灵敏性方面均有很大改进,同时新系统相比原R404A系统的制造成本及运营成本均有所降低,整套系统可节省投资约39%,年节省电力运营费用44%。本文研究结果可为LNG低温换热设备的设计制造和LNG冷能利用系统的优化升级提供参考。