板翅式换热器非共沸介质流动冷凝换热特性及结构优化研究

发布时间：2020-10-28 13:42

　　 在空气分离和天然气液化产业中,目前常用的深冷换热器主要有绕管式和板翅式两种,板翅式换热器凭借单位体积换热面积大、冷箱总成易模块化等优势得到越来越广泛的应用。本文采用数值模拟方法,对板翅式换热器内非共沸混合介质冷凝换热和流动特性进行了研究,在数值研究的基础上采用多目标遗传算法对锯齿翅片板翅式换热器通道几何参数进行了优化。主要工作及结论如下:基于传热传质相似理论,构建了层流及湍流状态下甲烷——丙烷混合介质壁面凝结模型,对平直翅片、锯齿翅片、波纹翅片板翅式换热器通道内混合介质冷凝换热流动机理进行了数值仿真分析。三种类型翅片通道Re数(约为330左右)一致时,对比分析了不同翅片通道内丙烷冷凝过程中不凝介质甲烷的聚集状态以及传热因子j、阻力因子f和综合性能因子FTEF的变化。发现相对于平直翅片与波纹翅片,锯齿翅片的传热因子j分别增加了20.65%和12.25%,阻力因子增加了57.07%和40.38%,综合性能因子FTEF增加了3.79%和0.25%,说明锯齿翅片在天然气非共沸混合组分(高沸点介质摩尔分数含量为5%)冷凝换热过程中有着更好的综合性能。形成这一现象的主要原因是:随着甲烷丙烷混合介质冷凝过程的进行平直翅片表面会形成稳定增长的甲烷气膜层;波纹翅片通过改变介质流向减薄了迎风侧气膜层,但是背风侧不凝气体甲烷积累更快;锯齿翅片由于翅片“锯齿形”错开间断分布导致了流体周期性分流和对间断翅片前端的冲刷,有效破坏和抑制了气膜层的发展,获得了比较明显的传热性能改善。在发现锯齿翅片用于天然气轻烃回收过程有着更好综合性能的基础上,采用控制变量法研究了锯齿翅片结构参数(翅片高度、翅片间距、翅片长度、翅片厚度以及翅片错开比)的变化对混合介质冷凝换热和流动特性的影响。可以得到:在通道Re=600时,翅片高度h=7.1mm、翅片间距s=2.2mm、翅片长度1=3mm、翅片厚度t=0.2mm、翅片错开比s0=0.4时,锯齿翅片综合性能最佳;在通道Re=2000时,翅片高度h=4.9mm、翅片间距s=1.8mm、翅片长度1=3mm、翅片厚度t=0.35mm、翅片错开比s0=0.4时,锯齿翅片综合性能最佳。借助响应面设计方法对锯齿翅片结构参数量化,目标参数j因子、f因子和FTEF因子函数化,选用合适的响应面模型对他们的关系近似处理后,采用多目标遗传算法(MOGA)对锯齿翅片结构进行优化。结果表明j因子对翅片长度的变化最敏感,f因子对翅片厚度的变化最敏感,FTEF因子对翅片错开比的变化最敏感;翅片间距与翅片厚度的相互作用对j因子和f因子的影响最大,翅片错开比和翅片厚度的相互作用对FTEF因子的影响最大;优化结构相对于常用结构(47JC2003)j因子提高了 25%,f因子提高了 23.9%,FTEF因子提高了16.1%。
【学位单位】：山东大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：TK172;TK124
【部分图文】：

不同程度的含有Ｈ２Ｓ、Ｃ０２、水分、重烃和汞等杂质。原料气必须先??预处理脱除这些杂质防止他们冻结堵塞管道和设备，然后进入液化单元加工为商??品气，图１－１为油气田生产的天然气经过预处理和加工单元成为商品气的流程。??Ｃ〇２?｜?？??空?硫??｜?｜?横??，棚收?？?｜＿？商品天然气??酸气??稳定轻??〇２、Ｃ３、Ｃ４、〇５??”?ｑ?分馏??液固杂质?取??图ｉ－ｉ天然气处理总流程图??乙烯产业是中国石化产业的基础，制约乙烯产业发展的关键因素是原料短缺，??而天然气液化过程中回收的乙烷和丙烷等轻烃可以作为乙烯裂解原料［４］。目前常??用的轻烃回收方法有低温分离法、油吸收法和吸附法，其中低温分离法因为回收??效率高、生产成本低最为常用［６］。低温分离法主要是依据不同的经类有不同的冷??凝温度，原料气在逐渐冷却过程中不同种类的轻烃会逐渐分离出来［６］。??目前能实现多股流体同时换热的深冷换热器主要有绕管式换热器和板翅式??换热器两种。绕管式换热器为管壳结构，承压能力高，但是在天然气处理过程中??１??

（ａ）绕管式换热器?（ｂ）板翅式换热器??图１－２绕管式换热器和板翅式换热器示意图??翅片承担着板翅式换热器内大部分热量交换，是最基本的元件之一：平直翅??片的主要作用是增加二次换热面积；锯齿翅片和波纹翅片在增加换热面积的同时??通过促进流体湍流，破坏翅片表面的热边界层来达到强化换热目的［９］。但是这些??翅片形式及相对应的换热机理主要是针对单相介质。天然气液化过程中的主要换??热形式为非共沸混合介质冷凝换热，从己有文献看，板翅式换热器内相变换热特??征机理研究相对欠缺，非共沸混合介质冷凝换热的规律及强化方法的报道更为少??见。应针对板翅式换热器内非共沸混合介质冷凝机理开展研究，为板翅式换热器??的优化和设计奠定基础。??２??

图２－１?Ｃｏｌｌｂｕｍ－Ｈｏｕｇｅｎ模型不意图??１－管壁；２－凝结液边界层；３－气膜层??因此混合物冷凝换热的换热量也就是穿过气膜层和液膜层的热量，如图２－２??所示，其中气膜层内的能量传递分为两部分：一部分是混合物的纯对流换热量??另一部分是高沸点介质对流传质及凝结放热量即??＋?９嫌?（２－１）??＾ｃｏｎｄ＾＾ｃｏｎｄＨ?（?２＿２?）??式中：——凝结率；??Ｈ——高沸点介质相变潜热。??１０??
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本文编号：2860164