SCV换热管流热固耦合数值模拟

发布时间：2020-07-31 22:29

【摘要】：天然气焓值高且清洁环保,是我国最主要的过渡能源。气化是液化天然气供应链中的重要环节,浸没燃烧式气化器(Submerged Combustion Vaporizer简称SCV),是一种启动快、效率高的新型天然气气化设备,作为SCV的枢纽部位,换热管束承担能量传递的功能,其安全和有效运行对整个气化过程非常重要。本文以某接收站的SCV蛇形换热管为研究对象,采用CH_4代替液化天然气,对管内跨临界传热特性进行了数值模拟。同时以Workbench为平台,进行流热固单向耦合,对换热管进行稳态热分析和结构静力分析,得到了各工况下管壁的温度场、应力场及变形分布规律,计算结果表明:(1)在拟临界区域,管内为混合对流,物性变化、浮升力、重力使超临界CH_4的换热能力得到强化,传热系数出现局部增大,波峰值在拟临界温度点附近。在远离拟临界点的直管段,重力和浮升力影响较小,管内为强制对流换热,传热系数减小。弯管处迪恩涡强度很大,超临界CH_4传热能力得到再次加强,传热系数激增,其中第一个弯管处的传热能力最大,远大于直管段。减小水浴温度、增大压力和提高进口速度均能增大传热系数。(2)经流热固耦合分析,温度载荷引起的热应力大于静压载荷产生的机械应力,对换热管耦合应力起主导作用。各应力在轴向和径向分布不均匀:沿管长,热应力及耦合应力受内外壁温差的影响,先减少后趋于稳定,机械应力呈锯齿状波动,最大耦合应力在支撑板与管束连接处出现,为207.4MPa,弯管处各应力出现与流场对应的分层现象;沿径向,内壁上的各应力大于外壁,耦合应力和热应力先减少后增大,存在应力最小的中性层。(3)换热管的耦合变形以温度载荷引起的热变形为主,热变形量远大于力变形。沿管长,力变形方向与热变形相反,具有一定的抵消作用,因此耦合变形略小于热变形,变化趋势为先增大后减少。最大耦合变形发生在第一个弯管段,为4.37 mm,主要由轴向及向下的位移组成。(4)当管程CH_4温度超过拟临界点后,不同工况下的应力场有明显的区别:耦合应力随水浴温度的升高而增大,相应地耦合变形也变大;提高操作压力会增大内壁面的耦合应力,使最大变形量增加;进口速度越大,耦合应力越大,但对变形影响很小。
【学位授予单位】：大连理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TE97

【参考文献】

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本文编号：2777093