直通道PCHE内超临界流体流动与传热特性数值模拟研究

发布时间：2020-07-23 08:20

【摘要】：为实现可持续发展战略和天然气长久稳定供给,近年来,我国逐渐从传统的近海天然气开采向深海浮式LNG开采过渡。印刷电路板式换热器(Printed circuit heat exchanger,PCHE)具有结构紧凑、耐低温和高压、传热效率高等优点,是浮式LNG液化船中液化设备的首选主换热器。为了获得超临界天然气在PCHE内流动与换热特性,本文采用超临界甲烷和超临界混合物作为流动介质,研究半圆形直通道的几何尺寸和操作参数等因素对其流动与换热特性的影响规律。为天然气在PCHE内的实际流动工况分析提供借鉴意义。利用Fluent软件模拟分析半圆形直通道的几何尺寸对PCHE流动与换热特性影响规律时,共选择直径为1.4mm、1.5mm、1.6mm、1.8mm和2.0mm五种不同的通道直径,当增加超临界甲烷的入口质量流率时,不同直径半圆形通道的对流换热系数和压降均随之增加;与直径为1.4mm的通道相比,其他四种直径的对流换热系数分别减少9.89%、20.47%、31.8%、42.06%,压力损失分别降低26.29%、40.08%、67.94%、81.25%,尽管较小的通道直径具有更强的传热性能,但是其流动损失也相应增加。进行操作参数对PCHE流动与换热特性影响分析时,影响因素分别为入口温度、操作压力和入口质量流率,分别将超临界甲烷和超临界混合物作为工作流体。入口温度改变时,对流换热系数和压降均随入口温度的升高而增加;操作压力改变时,随着压力的升高,换热性能逐渐增强,而流动损失逐渐减小;入口质量流率改变时,对流换热系数和压降均随质量流率的增加而增加。尽管两种流体的变化规律基本相同,但是由于物性存在差异,超临界甲烷的对流换热系数比超临界混合物高2.41%,但其压力损失也增加9.37%。根据模拟结果,本文对超临界甲烷和超临界混合物在直通道PCHE内流动与换热特性进行总结分析,并拟合了努赛尔数和范宁摩擦因子的准则关联式。在拟合超临界甲烷和超临界混合物流动与换热特性准则关联式时,努赛尔数模拟结果与准则关联式的相对误差均在±3%以内;范宁摩擦因子模拟结果与准则关联式的相对误差均在±2%以内。此外,将本文的模拟数据和现有的准则关联式比较时,由于流体介质的物性差异以及数值模拟时边界条件设定不同,最终导致相对误差均在±15%之外。因此,可以说明本文拟合的准则关联式对超临界甲烷和超临界混合物具有适用性。
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TE95
【图文】：

实物,通道,浮式

的背景及研究意义题研究背景气作为一种清洁、高效、安全的低碳能源，近年来受到越来越可持续发展战略和长久稳定的天然气供给，需要对储量丰富发利用[1]。目前，海上天然气开采主要分为以下两种方式，一，为了让此种方式经济有效，需要将长输管道控制在 1650-33种为深海浮式 LNG 开采，天然气在-160℃以下低温环境下会减小为原来的 1/600，可以通过船将 LNG 运往不同地区[2]。十分丰富，主要集中在南海海域的深远海，为了实现从近海式 LNG 开采的过渡，需要充分利用 LNG 液化船只的空间。，海况环境恶劣，浮式 LNG 船的操作空间有限，这就要求液有耐低温、耐高压、结构紧凑、泄露少等诸多优点[3]，因此海上成为亟待解决的技术。

流程图,流程图,网格划分,数值模拟方法

- 11 -图 2-1 FLUENT 求解流程图择数值模拟方法和精确的网格划分能够获得于 FLUENT 多方位的优点，本文使用 FLUE程如图 2-1 所示。FLUENT 求解过程仅作为，即求解器环节。在进行求解问题之前，本文模型建立及网格划分。完成求解问题之后，本处理。

纯物质

哈尔滨工业大学工学硕士学位论文界流体的理论分析温度和压力不断变化,分子量不大且性质稳定的物质都会呈现气种状态。如图 2-2 所示，每种物质都会存在三相点和临界点。所种状态的交界点，液态与气态的交界点则称为交界点。不同物点会存在很大差异。当温度和压力均高于临界点，此时物质处超临界状态下的流体区别于液体和气体，而是介于气体和液体临界点处的流体随着压力的升高，其定压比热容会存在一个峰态点称为拟临界点。当温度低于拟临界点温度，流体性质与液度高于拟临界点温度，流体性质与气体相近[52]。如表 2-1 所示度与液体十分接近，黏度略高于气体。常温下与液体相比，超数约为其100倍，同时流体表面张力约为零，也表现出良好的溶界流体的多方面优良特性，因此本文采用超临界流体作为工作小流动过程中的阻力损失，另一方面可以增强整体换热效果。

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