【摘要】：環(huán)境和能源問(wèn)題日益成為世界經(jīng)濟(jì)發(fā)展的焦點(diǎn),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(duì)環(huán)境污染少,被公認(rèn)為是潔凈能源,也越來(lái)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(shè)備。開架式海水氣化器(Open-Rack Vaporizer,簡(jiǎn)稱ORV)是LNG接收終端內(nèi)重要的大型氣化設(shè)備,其氣化性能和效率直接影響LNG終端的負(fù)荷能力,也是該設(shè)備國(guó)產(chǎn)化的瓶頸之一。由此,本文以開架式氣化器為研究對(duì)象,在深化國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)調(diào)研并結(jié)合氣化器實(shí)際應(yīng)用的基礎(chǔ)上,通過(guò)對(duì)開架式海水氣化器結(jié)構(gòu)與工作原理進(jìn)行了分析、設(shè)計(jì),采用理論分析、數(shù)值模擬及實(shí)驗(yàn)研究相結(jié)合的方法,研究開架式海水氣化器管內(nèi)流動(dòng)與傳熱規(guī)律,利用實(shí)驗(yàn)測(cè)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(chǎng)的分布規(guī)律及結(jié)冰機(jī)理,最后通過(guò)實(shí)驗(yàn)的方法測(cè)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(yīng)力應(yīng)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(shí)際工程應(yīng)用提供數(shù)據(jù)支持,以期提高開架式海水氣化器的國(guó)產(chǎn)化工程應(yīng)用。通過(guò)本論文的研究,得出如下結(jié)論:1.分別建立了有/無(wú)擾流桿傳熱管內(nèi)部流動(dòng)和傳熱的數(shù)值計(jì)算模型,研究了傳熱管內(nèi)流體流動(dòng)與換熱過(guò)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(guò)數(shù)值模擬可以看出,傳熱管底端進(jìn)口處LNG溫度、含氣率、混合物流速最低,壓力最大;隨著氣化過(guò)程的進(jìn)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(wú)擾流桿的傳熱管流動(dòng)和傳熱數(shù)值計(jì)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(duì)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(guò)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(shí)間越長(zhǎng),氣化過(guò)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(guò)渡,氣化過(guò)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(gè)定值則說(shuō)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(guò)程的反應(yīng)程度。3.利用換熱管內(nèi)部流動(dòng)和傳熱數(shù)值計(jì)算模型,獲得了帶擾流桿的換熱管內(nèi)部流動(dòng)與傳熱過(guò)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(shí)驗(yàn)的方法對(duì)傳熱過(guò)程的結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比驗(yàn)證。在相同邊界條件下,與無(wú)擾流桿傳熱管計(jì)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(wú)擾流桿傳熱管的氣化效果要好于實(shí)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(dǎo)流作用下,內(nèi)部介質(zhì)的速度增大,使摻混程度高,湍動(dòng)程度加強(qiáng),由環(huán)形間隙帶來(lái)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(jìn)行熱量交換,內(nèi)管內(nèi)的LNG氣化程度增強(qiáng),相應(yīng)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(lái)的沿著軸向直線運(yùn)動(dòng),變?yōu)轫様_流桿的螺旋運(yùn)行,增加了內(nèi)部流體的湍動(dòng)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(shì),但管內(nèi)壁粗糙度的變化對(duì)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(cè)試實(shí)驗(yàn),研發(fā)了海水分布器水膜厚度測(cè)量工具,測(cè)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(shì)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(duì)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(duì)位置的變化,液膜厚度基本維持在5mm~10mm之間。5.研究了在實(shí)際環(huán)境條件下,普遍存在的熱質(zhì)湍流輸運(yùn)效應(yīng)和局部結(jié)冰-氣化等相變過(guò)程對(duì)氣化器輸運(yùn)過(guò)程的機(jī)理問(wèn)題。通過(guò)對(duì)不同進(jìn)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(chǎng)是由外向內(nèi)呈梯度變化,當(dāng)入口海水溫度為273.15K時(shí),液膜內(nèi)部會(huì)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(dòng)態(tài)變化,固液交界面位置基本浮動(dòng)變化不大。開始考慮結(jié)冰過(guò)程后,10mm液膜時(shí)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(gè)區(qū)域內(nèi)溫度差異在1K左右。6.用液氮替代LNG對(duì)氣化器在通入液氮和管外結(jié)冰兩種工況下的應(yīng)變開展了試驗(yàn)研究,分析了氣化器的應(yīng)變隨液氮入口溫度的變化關(guān)系,由實(shí)驗(yàn)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(dòng)方向的應(yīng)變大于垂直方向的應(yīng)變,這主要是由管道長(zhǎng)度決定;同時(shí),相同條件下,離液氮入口越近,應(yīng)變?cè)酱�。隨著液氮的氣化,溫度升高,應(yīng)變減小,在液氮的沸點(diǎn)附近,應(yīng)變趨于零。集管和匯管的應(yīng)變值明顯大于換熱管的應(yīng)變量,且維持較高的應(yīng)變水平;管外結(jié)冰,將影響換熱管內(nèi)外熱交換,增加應(yīng)變量,結(jié)冰不僅影響氣化器換熱效果,同時(shí)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(jì)的快速增長(zhǎng)和工業(yè)的不斷發(fā)展進(jìn)步，全世界對(duì)加的。根據(jù) 2018 年的《BP 世界能源統(tǒng)計(jì)年鑒》顯示，201總量為 135.11 億噸油當(dāng)量，能源消費(fèi)量較 2016 年增長(zhǎng)了 消費(fèi)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(guó)，作為世界上能源消費(fèi)總量位居世界前增長(zhǎng)的影響，2017 年的能源消費(fèi)總量也呈現(xiàn)持續(xù)增長(zhǎng)態(tài)勢(shì)，2017 年我們國(guó)家一次能源的消費(fèi)總量為 31.56 億噸油當(dāng)2.9%。對(duì)于我們國(guó)家而言，由于受天然氣儲(chǔ)量、開采技術(shù)和我國(guó)一次能源消費(fèi)占比與世界能源消費(fèi)占比相比還存在一為中國(guó)、美國(guó)、俄羅斯及全球一次能源消費(fèi)占比情況，通現(xiàn)，雖然我國(guó)石油、天然氣、煤炭等化石能源的消費(fèi)占比本相同，但天然氣消費(fèi)占比僅為 6.6%，遠(yuǎn)低于世界平均水天然氣消費(fèi)占比相比差距甚遠(yuǎn)。

開架式氣化器流動(dòng)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(guò)程的發(fā)熱量略低于石油燃燒過(guò)程的發(fā)熱的發(fā)熱量。綜合這兩方面的優(yōu)勢(shì)，在環(huán)境問(wèn)題和能源危機(jī)然氣作為一種高效且清潔的化石能源，必然會(huì)在未來(lái)能源據(jù)重要位置。根據(jù)《2018 年 BP 世界能源展望》預(yù)測(cè)，到 消費(fèi)結(jié)構(gòu)中的占比增加到 25%。而我國(guó)，，作為能源消費(fèi)大等嚴(yán)重環(huán)境問(wèn)題的影響，快速發(fā)展天然氣技術(shù)已成為必然
【學(xué)位授予單位】：蘭州理工大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號(hào)】：TE96

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本文編號(hào)：2588766