液化天然气冷能利用过程中强化换热技术及水平管内气液两相流体激振机理的研究

摘要

液化天然气(LNG)在使用前,必须经过汽化后以气态输送给用户,汽化过程中会释放数量众多、品质很高的冷能,将这部分冷能有效利用会带来巨大的经济和社会效益。如何有效提高LNG冷能利用效率一直是人们关注的课题。
　　 本文主要研究了三个方面的内容,首先对LNG冷能利用的热力学理论基础进行了研究。为了最大程度地利用LNG冷能,换热器的换热性能至关重要,本文第二部分对LNG冷能利用过程中的有源强化换热技术进行了理论和试验分析。有源强化技术中的一种通过流体自激振动提供振源使换热壁面振动以达到强化换热目的的新技术目前仍然是一个全新的领域,在LNG冷能利用过程中存在强烈的相变和气液两相流动过程,两相流体流动比单相流体流动更容易产生自激振动,本文最后一部分对水平管内气液两相流体激振的机理进行了理论研究,为下一步将气液两相流体激振和强化换热技术相结合的新技术开发提供了前期的理论支持。
　　 本文首先对LNG冷能利用过程进行了系统(用)分析、佣平衡分析、LNG冷能(用)分析以及能级分析。从热力学的角度对LNG冷能利用进行了全面的“量”和“质”的分析,提出了LNG冷能梯级利用需要遵循的热力学原则:冷热流体间温差最小;不同温度段内冷能“支付”和“收益”双方的能级要匹配;不同的温度(包括环境温度、LNG温度、利用方式的温度)下综合利用LNG冷能方案分配要合理;以及综合考虑经济、环境、及设备各因素等。另外,通过能级分析,提出了LNG冷能综合利用方案(包括冷能直接利用和动力利用)分配的判断准则,并为此准则的工程应用总结出了快速判断准则图。
　　 本文第二部分通过分析认为有源强化换热的本质是边界层厚度的周期性变化导致的边界层导热性能的整体提高。基于此认识,本文建立了周期性边界层重构式强化换热技术的理论模型并进行了数值和试验研究。研究结果表明,周期性边界层重构式换热模型可以较好地解释类如刷壁式、振动强化式等有源强化换热过程的变化规律;周期性边界层重构方式对层流的换热强化效果尤其明显;边界层重构式强化换热技术存在一个特定重构周期,在该周期左右,强化换热效果最佳。
　　 本文第三部分是基于通过流体自激振动可以达到强化换热目的的认识,对LNG冷能释放过程中的气液两相流体激振(不稳定性)进行了研究。采用确定振荡流场的振荡流体力学原理和快速求解复杂流动的参数多项式法对水平直管、渐扩管、渐缩管内的气液两相流体激振过程进行了理论研究。研究结果表明,相对于截面直管,渐扩管可以起到强化从入口到出口的压力波动的效果,但会使得进出口压差减小,而渐缩管恰恰相反,它会使得进出口压差增大,却弱化从入口到出口的压力波动:压力波动的振幅和气相密度波动的振幅都是随着流量的增大而减小;水平管内气液两相流体激振的发生和压差——流量的性能曲线的位置无关。
　　 本文这三部分内容都是为了更好地提高LNG冷能利用率,为实现节能的目的服务,同时第二和第三部分的内容对强化换热技术的发展和气液两相流体激振的研究提供了一个新的研究思路。