SCV蛇形换热管内超临界LNG传热特性数值模拟

LNG沉浸式汽化器在液化天然气接收站应用广泛,管内超临界LNG的传热特性对SCV运行有重要影响,为此,建立了单根蛇形换热管内LNG流动传热过程的数值计算模型。分析了管程压力、热通量、入口速度及物性变化对管内流体温度与局部传热系数的影响规律。计算结果表明,局部传热系数沿流动方向呈先增大后减小的趋势,并在准临界点附近达到峰值;由于二次流现象,传热系数在弯管处发生突变。在操作压力范围内,压力越大,局部传热系数峰值越小;热通量越大,局部传热系数峰值越早出现,峰值过后系数下降越快,出现传热恶化现象;而入口速度越大,局部传热系数越大,其峰值出现位置越靠后。该数值模拟结果可为LNG沉浸式汽化器的设计提供参考。     

SCV耦合传热特性实验研究与数值模拟

浸没燃烧式汽化器（SCV）是液化天然气（LNG）接收站中一种必不可少的换热设备,主要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。搭建一套完整的SCV流动换热实验平台,对其内部复杂的传热特性进行研究。可视化实验结果揭示了汽化器内部一些独特的流体动力学现象（局部水浴结冰等）,同时通过建立的气液两相混合物与跨临界LNG耦合传热计算模型得到了换热管束内外局部流体温度和局部传热系数分布曲线,并分析了LNG进口压力、LNG入口速度、初始水位高度以及烟气进气量对NG出口温度和水浴温度的影响规律。研究成果能够为SCV国产化设计提供重要参考。     

SCV耦合传热特性实验研究与数值模拟

浸没燃烧式汽化器(SCV)是液化天然气(LNG)接收站中一种必不可少的换热设备,主要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。搭建一套完整的SCV流动换热实验平台,对其内部复杂的传热特性进行研究。可视化实验结果揭示了汽化器内部一些独特的流体动力学现象(局部水浴结冰等),同时通过建立的气液两相混合物与跨临界LNG耦合传热计算模型得到了换热管束内外局部流体温度和局部传热系数分布曲线,并分析了LNG进口压力、LNG入口速度、初始水位高度以及烟气进气量对NG出口温度和水浴温度的影响规律。研究成果能够为SCV国产化设计提供重要参考。     

竖直微肋管内LNG流动沸腾传热特性的分析

实验研究了竖直微肋管内液化天然气(LNG)流动沸腾传热特性,分析热通量、质量流量以及入口压力对LNG两相流动传热特性的影响。针对实验工况分别采用Kim关联式、Koyama关联式以及两种不同F_tp系数的Wellsandt关联式对传热系数进行预测,并将实验结果与预测结果进行比较。结果表明,在整个实验工况范围内,采用Koyama关联式预测准确性最好。     

竖直圆管内液氮流动沸腾传热特性的分析

实验研究了竖直圆管内液氮流动沸腾传热特性,分析壁面温度、流体温度、干度以及传热系数沿实验段管程的变化规律,考察热通量、质量流量和入口压力对液氮两相流动传热特性的影响。针对实验工况分别采用Chen、Klimenko、Shah以及Liu-Winterton关联式对传热系数进行预测,并将实验结果与预测结果进行比较,对不同传热系数区间内的相对误差进行了计算、分析,以评估实验工况范围内各关联式的准确性。结果表明,在传热系数较大的情况下,4个关联式的预测值普遍低于实验值,在整个实验工况范围内,采用Klimenko关联式预测时误差最小。     

浸没燃烧式气化器的运行特性及优化

建立了浸没燃烧式气化器(SCV)传热管的传热计算模型,给出了计算流程,并且通过实际运行参数验证了模型的准确性。基于该模型计算分析了某型SCV额定工况时管内外的温升曲线以及传热系数曲线;讨论了LNG流量、入口参数以及壁面污垢热阻对水浴温度的影响;根据计算结果提出了加装管内扰流装置以强化传热,当管内传热强化系数为3.0时可在原结构基础上使水浴温度降低14.8℃,或在水浴温度保持不变的条件下减少23%的传热面积。     

螺旋管丙烷流动沸腾换热特性

丙烷作为自然工质具有良好的换热性能并且对环境影响较小,是替代传统制冷剂的选择。目前对于丙烷在螺旋管中沸腾传热的研究较少。实验测量了丙烷在管内径8 mm、螺旋半径42 mm、螺距21.5 mm的螺旋管中的流动沸腾传热系数。实验采用套管的形式,在螺旋管外用恒温水对丙烷进行加热,调整水入口温度与水流量得到不同的热通量。实验表明,螺旋管对流动沸腾换热具有一定的强化作用。实验数据与已有的螺旋管流动沸腾换热关联式进行了比较,在6 kW·m⁻²以下的低热通量时,Guo（1998）换热关联式比Ji（2015）预测准确度更高,推荐使用Guo（1998）关联式。     

高过冷度下直管内气液两相传热特性

基于双流体模型,建立了适合高压高过冷工况的过冷沸腾模型,考察了液体过冷度和壁面热通量对垂直圆管内气液两相传热特性的影响。结果表明,高过冷度下整个截面上气相分布十分不均匀,壁面附近气泡比较密集。随着入口过冷度的减小,气相体积分数增加,促进了沸腾传热的发展。随着壁面热通量的增加,表面传热系数沿流体流动方向总体上呈增大趋势,局部区域内出现下降,并且传热系数的下降趋势随入口过冷度的减小逐渐变得不明显。     

再沸器单根换热管外围壳程流场沸腾传热的数值模拟

以再沸器中的换热管为研究对象,建立单根换热管外部壳程流体的三维有限元模型,采用描述沸腾的RPI模型对再沸器中单根换热管外部壳程流场的沸腾传热进行计算,得到不同边界条件对体积含气率与沸腾传热系数的影响。计算结果表明:气体体积含气率沿换热管中心轴线的流动方向逐渐增大;出口截面体积含气率与入口速度成负相关,与入口温度和热通量成正相关;沸腾传热系数与热通量、入口速度和入口温度成正相关。     

Nucleate pool boiling heat transfer of δ-Al2O3-R141b nanofluid on horizontal plate

对δ-Al₂O₃-R141b纳米流体在0.1 MPa系统压力下进行了池内沸腾传热性能测试。沸腾表面为2000^#砂纸打磨的光滑紫铜表面,沸腾热通量为30～130 kW·m^-2,纳米流体的体积浓度为0.1%、0.01%、0.001%。实验表明纳米流体强化了沸腾传热特性,且强化倍数随着纳米流体浓度的增加而增大。体积浓度为0.1%时,沸腾传热系数比基液增大了50.2%。分析认为表面颗粒沉积是强化换热的主要因素,而接触角的变化在此可以忽略。与Rohsenow关联式相比较,纯液体和较低浓度的纳米流体的实验数据与关联式吻合较好,相对误差最大不超过13%,高浓度时吻合较差关联式不再适用。     

δ-Al2O3-R141b纳米流体的池内核态沸腾传热特性

对δ-Al₂O₃-R141b纳米流体在0.1 MPa系统压力下进行了池内沸腾传热性能测试。沸腾表面为2000^#砂纸打磨的光滑紫铜表面,沸腾热通量为30～130 kW·m^-2,纳米流体的体积浓度为0.1%、0.01%、0.001%。实验表明纳米流体强化了沸腾传热特性,且强化倍数随着纳米流体浓度的增加而增大。体积浓度为0.1%时,沸腾传热系数比基液增大了50.2%。分析认为表面颗粒沉积是强化换热的主要因素,而接触角的变化在此可以忽略。与Rohsenow关联式相比较,纯液体和较低浓度的纳米流体的实验数据与关联式吻合较好,相对误差最大不超过13%,高浓度时吻合较差关联式不再适用。     

R290在水平光滑管内的沸腾换热

对内径为4、6 mm水平光滑铜管内R290的沸腾换热特性进行了实验研究,分析了质流密度、热通量、饱和温度、管径对沸腾传热系数以及临界干度的影响,选择5种适用于R290的水平光滑管内沸腾换热关联式,对实验工况下R290的沸腾传热系数进行预测,并与实验值对比。结果表明,管径越小、质流密度越大,或者饱和温度越高,则沸腾传热系数越大;在干度逐渐增大的过程中,沸腾传热系数随热通量的增大先增大后减小。热通量、管径相比质流密度、饱和温度对临界干度的影响更明显,且热通量越大,临界干度越小;管径越小,临界干度越大。5种关联式中,Fang关联式的预测能力最佳。     

R290在水平光滑管内的沸腾换热

对内径为4、6 mm水平光滑铜管内R290的沸腾换热特性进行了实验研究,分析了质流密度、热通量、饱和温度、管径对沸腾传热系数以及临界干度的影响,选择5种适用于R290的水平光滑管内沸腾换热关联式,对实验工况下R290的沸腾传热系数进行预测,并与实验值对比。结果表明,管径越小、质流密度越大,或者饱和温度越高,则沸腾传热系数越大;在干度逐渐增大的过程中,沸腾传热系数随热通量的增大先增大后减小。热通量、管径相比质流密度、饱和温度对临界干度的影响更明显,且热通量越大,临界干度越小;管径越小,临界干度越大。5种关联式中,Fang关联式的预测能力最佳。     

垂直上升管内超临界CO_2流动传热特性研究

在压力为7.5～21 MPa,热通量为50～413 kW·m~(-2),质量流速为519～1500 kg·m~(-2)·s~(-1)的实验参数范围内,对超临界CO_2在内径为10.0 mm的垂直上升管内的流动传热特性进行了均匀加热条件实验研究。分析了热通量、压力和浮升力对圆管内传热特性的影响规律。实验结果表明:随着热通量的增加,传热出现恶化现象,并且随着热通量的增加壁温峰值点向入口段移动。传热恶化发生在流体温度小于拟临界温度而壁面温度大于拟临界温度附近。增大压力时由于物性的变化趋于平缓,传热恶化被抑制。当传热恶化发生时,浮升力对传热恶化有明显的影响。基于实验数据,综合考虑物性变化和浮升力对传热的影响,建立了新的超临界二氧化碳传热关联式,在实验工况范围内,预测值与实验值的平均偏差和标准差分别为1.2%和16.29%。     

浸没燃烧式LNG气化器传热计算初探

对浸没燃烧式LNG气化器（SCV）传热计算方法进行了研究,通过分段计算,校核现有传热计算模型对浸没燃烧式LNG气化器传热计算的适用性。管外传热利用流体横掠管束Zukauskas模型,管内段传热利用Dittus-Boelter模型、Shah （1982）模型、Kandlikar（1990）模型和Kew and Cornwell （1997）模型分别进行计算,结果表明,Kandlikar（1990）模型和Kew and Cornwell （1997）模型对LNG管内沸腾换热的计算结果偏差较小,分别为38.46%和38.33%。     

超临界压力下纳米流体竖直管内流动换热

对超临界压力下Fe₃O₄-煤油纳米流体竖直管内的换热特性进行了实验研究,分析了不同压力、质量流量、热通量和纳米颗粒浓度对超临界压力下纳米流体换热特性的影响。超临界压力下,纳米流体在竖直管内沿管长呈现不同的换热规律。流体质量流量的提高或者工作压力的提高均会使纳米流体在竖直管内流动换热效果变好。而热通量的增大或纳米颗粒的添加对超临界压力下纳米流体的换热具有恶化效果。最后给出了纳米流体在超临界压力下的传热关联式,其计算值和实验值吻合良好。     

垂直上升管内超临界CO2 流动传热特性研究

在压力为7.5～21 MPa，热通量为50～413 kW·m^-2，质量流速为519～1500 kg·m^-2·s^-1的实验参数范围内，对超临界CO₂在内径为10.0 mm的垂直上升管内的流动传热特性进行了均匀加热条件实验研究。分析了热通量、压力和浮升力对圆管内传热特性的影响规律。实验结果表明：随着热通量的增加，传热出现恶化现象，并且随着热通量的增加壁温峰值点向入口段移动。传热恶化发生在流体温度小于拟临界温度而壁面温度大于拟临界温度附近。增大压力时由于物性的变化趋于平缓，传热恶化被抑制。当传热恶化发生时，浮升力对传热恶化有明显的影响。基于实验数据，综合考虑物性变化和浮升力对传热的影响，建立了新的超临界二氧化碳传热关联式，在实验工况范围内，预测值与实验值的平均偏差和标准差分别为1.2%和16.29%。     

0.5MPa下液化天然气在竖直圆管中饱和流动沸腾传热

建立了一套实验装置用于对8 mm内径圆管内的液化天然气流动沸腾传热特性进行实验研究。测试压力为0.5 MPa,液化天然气质量流量为50~200 kg·m-2·s-1,热通量为8.0~36.0 kW·m-2。主要研究了热通量、质量流量和干度等影响因素对传热的影响。发现质量流量对传热有重大影响,液化天然气管内流动沸腾传热系数一般随质量流量的增加而增大。而热通量对传热的影响主要体现在低干度范围内,且在质量流量较小时更为明显。而当干度小于0.5~0.6时,传热系数一般随干度的增加而增大。但当干度大于0.6时,传热系数随干度的增加显著下降。将实验结果与4种现存的混合物流动沸腾传热关联式进行比较,结果表明Zou等提出的计算关联式与实验结果最接近,计算误差约为30.2%。     

中间介质气化器中超临界LNG换热过程分析

利用一维数值计算与CFD数值模拟的方法对中间介质气化器中超临界LNG的换热情况进行了研究。分析了工作压力与质量流量对LNG超临界换热的影响。结果表明在较低压力下,超临界LNG的传热系数及壁温会出现波动的现象,而改变质量流量对这种现象影响不大。除此之外,数值模拟结果表明,低流量工况下,超临界LNG在临界区附近由于物性的剧烈变化会发生传热恶化现象,而常用的换热关联式不能很好地预测这一现象,适当提高入口流量可以有效避免传热恶化现象的发生。     

换热管内置开边槽扭带的阻力与传热特性研究＊

将21种不同结构参数的铝制扭带分别置入换热管进行冷态和热态实验,研究并分析了换热管内置开三角形边槽扭带的阻力和传热特性。实验结果表明,插入开边槽扭带后管内的流动阻力和传热系数都有较大的提高。通过多元线性回归分析,得到了相应的阻力系数关联式和换热系数关联式。由强化传热性能评价分析,得到评价因子φ=1．05～1．35,证明了所研究的扭带具有强化传热的应用价值。