浸没式燃烧汽化器传热特性数值模拟研究

摘要

随着我国液化天然气（LNG）进口量逐年增加，其主要从日本、德国和韩国进口，人们对于接收站中的汽化设备也愈加关注。据了解，国内接收站在役大型 LNG气化设备主要有空温式汽化器（Ambient Air Vaporizer，AAV）和超级开架式汽化器（Super Open Rack Vaporizer，Super ORV）、中间介质型汽化器（Intermediate Fluid Vaporizer，IFV）和浸没式燃烧汽化器（Submerged Combustion Vaporizer，SCV）等。其中SCV是一种利用浸没燃烧技术辅以多相流换热和跨临界换热技术开发的新型高效换热设备通过水浴系统作为中间介质实现烟气与 LNG之间的热量传递系统，SCV由于其具有结构紧凑、操作灵活和换热效率高达95%等特点被广泛应用于接收站调峰系统。因此研究SCV流动及传热规律有较大的工程实际价值，为后续的理论研究提供参考。 本文利用数值模拟的方法在以往浸没式燃烧汽化器（SCV）研究的基础上，对壳程模型进行优化，运用VOF模型对气液两相横掠管束进行三维数值模拟，研究了初始水位高度、烟气进气量、烟气进气温度对平均水浴传热系数及含气率、水浴湍流动能的影响。结果表明：同一水位高度并且不发生溢流的情况下，水浴传热系数随烟气进气量的增加而增大，发生溢流后，水浴传热系数并不发生明显增大；当管束完全浸没在水浴中，水浴传热系数并不随烟气量发生明显变化；同一进气量且不同水位高度下，水浴传热系数随水位高度的增加而增加，当水位高度增加至一定时，传热系数呈略微下降趋势，同时得到壳程速度分布规律，为后续研究提供参考依据。 同时，由于对超临界压力下SCV传热管传热特性理论研究较少，传热机理认识不足，未考虑在进口段LNG温度较低时，LNG与水浴换热能力强而在管外壁有结冰现象产生，影响换热器的传热性能。因此本文针对SCV传热管传热计算过程，重新建立了基于能量平衡分布参数模型，通过上述模型对SCV传热管在超临界压力下的传热特性进行了数值计算，并分析了运行参数和强化传热措施对其传热特性的影响。计算结果表明：SCV传热管在超临界压力下具有良好传热性能，不同运行压力下，其水浴温度、冰层平均厚度不发生明显变化，但在大比热区压力对LNG温度、内外管壁温度及传热系数影响较大。不同 LNG进口温度下，烟气流量随温度的增大而减少，水浴温度变化不大，并呈略微下降趋势，同时，结冰区长度及冰层的平均厚度随LNG进口温度变化不大。此外，LNG进口流量（相对负荷）对水浴温度、烟气流量、结冰区长度等参数影响较大。

目录

声明

第一章 绪论

1.1 研究的目的和意义

1.2 国内外研究现状

1.3 主要研究内容

1.4 本章小结

第二章 SCV壳程气液两相横掠管束传热数值模拟

2.1 计算流体力学（CFD）软件简介

2.2 物理模型的建立

2.3 数学模型和网格划分

2.4 边界条件与计算方法

2.5 结果与讨论

2.6 不同操作工况的影响规律

2.7 不同参数对壳程传热的影响

2.8 本章小结

第三章 超临界压力下SCV传热模型计算及分析

3.1 传热模型的建立

3.2 甲烷热物性分析

3.3 传热经验关联式

3.4 求解计算方法

3.5 模型的验证

3.6 超临界压力下传热管传热特性分析

3.7 运行参数变化对传热的影响

3.8 本章总结

第四章 结论与展望

4.1 主要结论

4.2 研究展望

致谢

参考文献

攻读学位期间参加科研情况及获得的学术成果