分相的多股流LNG绕管式换热器动态模型

为预测海上浮式天然气生产储卸平台(LNG-FPSO)中绕管式换热器的动态特性,建立了一种分相的多股流LNG绕管式换热器动态模型。采用二维矩阵的描述方法建立了行列数为3(n+1)×3(n+1)的对角矩阵和互连矩阵,对多股流换热器传热计算中的物理参量进行数学表达,实现了多股流多相区换热关系的描述。采用分相区的建模方法提出了相边界交错排列下流体与管壁的传热模型和管壁温度的计算模型,实现了冷热流体在并发相变时的传热计算。实例表明该模型能够计算多股流形式的绕管式换热器,并能处理相边界"交错"的情况。与已发表的模型进行仿真对比,计算结果吻合良好,最大偏差小于4%。

基于仿真的LNG绕管式换热器设计方法

为了优化设计LNG绕管式换热器,本文提出了一种高效的基于仿真的设计方法。该设计方法以换热面积最小为优化目标函数,选取管束高度、壳体直径、螺旋升角和管数目为优化变量;基于仿真速度较快的流股演化模型,开发了LNG绕管式换热器的结构优化算法;基于仿真精度较高的三维分布参数模型,开发了LNG绕管式换热器的性能校核和结构再调整算法。采用本文提出的基于仿真的优化设计方法对一台实际运行的LNG绕管式换热器进行算例分析,优化后的LNG绕管式换热器的换热面积比优化前减少了3.6%,同时热负荷和压降负荷能够满足要求。

微肋结构对储罐失压下液化气瞬态暴沸特性的影响

沸腾液体蒸气膨胀爆炸(BLEVE)是液化气储运中的一类常见灾害,其爆炸剧烈程度取决于容器失压时亚稳态液体的过热度。为避免发生液化气爆炸,提出了一种采用微肋结构来促进过热液体成核的防制思路。通过搭建可视化的实验装置,对比观测了失压条件下光滑和微肋表面上的气泡成核过程,并测量了失压后容器内的瞬态压力曲线。结果表明,微肋表面上的成核起始时间相比光滑表面提前了50 ms;在200～500 kPa泄放压力范围下,通过采用微肋结构表面,暴沸引发的压力反弹相比光滑表面降低了24.1%,液体最大过热度下降了21.7%。

矩形窄缝通道受热表面污垢沉积实验研究

失水事故下堆芯余热排出时,板状燃料元件表面因冷却剂引入负溶解度盐杂质而发生污垢沉积,导致传热性能恶化甚至堵塞通道。为研究矩形窄缝通道内受热表面污垢沉积特性,设计搭建了一种采集矩形窄缝通道表面特定方位处污垢样品的实验装置,以碳酸钙作为可溶性杂质,对60 mm×2 mm截面的矩形窄缝通道受热面污垢沉积过程进行实验测试,观测通道不同位置、不同时间下污垢沉积的微观形貌特征,测量污垢厚度的分布特性,并探究污垢沉积对壁面传热的影响规律。结果表明:污垢形态随沉积时间增加而改变,不同位置处的沉积厚度差异显著,通道传热系数随时间先下降后趋于稳定,下降幅度为26.49%。

防冻堵的船用绕管式LNG气化器设计

绕管式气化器具有高效紧凑、机械强度高的优点,可作为船载LNG气化设备使用,但需要合理设计气化器结构来避免水介质发生冻堵。本文设计了一种水加热型绕管式LNG气化器,在满足气化工艺要求的同时可防止气化器出现冻堵。首先提出了基于防冻堵的气化器结构设计思路:在保证管侧水温高于冰点和管侧出口水温分布均匀的前提下,设计绕管式气化器的关键结构参数;然后通过三维分布参数模型对气化器换热、压降性能以及防冻堵性能进行校核,并提出结构参数优化调整的方法。采用本文提出的设计方法,对一台已知设计参数的LNG气化器进行算例分析,优化调整后的绕管式换热器热负荷和压降能够满足设计要求,且管侧壁面温度最低温度为7.32℃,管侧出口平均温度为31.42℃,达到防冻堵的效果。

表面微结构对析晶沉积特性影响的格子Boltzmann模拟

析晶污垢是一种普遍存在于换热设备中的有害结晶,损耗设备的换热性能。在换热表面设置粗糙微结构对流动和换热影响显著,也使得表面的析晶污垢沉积机理变得十分复杂。基于析晶沉积动力学理论,建立了有限差分-格子动力学耦合模型,对碳酸钙在微细通道换热表面的沉积特性进行分析,并讨论表面微结构单元的分布间距和高度对结垢行为的影响。结果表明,建立的有限差分-格子动力学耦合模型能够有效模拟微结构背风面的局部涡流和换热表面的结垢过程;微结构分布间距的缩减和高度的增加均会明显使高壁温区域的析晶沉积过程由表面反应主导转变为传质扩散主导;与光滑换热表面的析晶沉积工况对比,微结构的设置及高度增加使换热表面污垢沉积量增多,相邻微结构间的涡也随沉积时间逐渐变小。

水平管内凝结水锤气液界面演化的实验研究

非能动余热排出系统排出堆芯余热时,水平管道内因低温海水与高温蒸汽直接接触发生冷凝,导致气液两相流界面失稳甚至诱发水锤现象。为对水平管道内凝结水锤的形成演化过程进行可视化研究,搭建了一种测量管道中瞬时压力的可视化实验装置,采集了气液两相流界面可视化图像数据,探究了不同冷水温度、不同加热功率对凝结水锤的影响规律,对比了不同工况下时序图像中界面波动情况。结果表明:直接接触冷凝会导致界面波动发生失稳现象,若冷凝剧烈,失稳会进一步演化成凝结水锤现象;压力数据与时序图像能够较好对应;高加热功率的时序图像的水锤更为密集,凝结水锤发生周期随加热功率增大而缩短;升高过冷水温度能够抑制凝结水锤发生。

基于格子Boltzmann方法的微通道受热表面析晶污垢模拟

针对现有的污垢析晶沉积模型不能有效模拟真实污垢生长的问题,建立了一种引入析晶沉积动力学模型的多物理场耦合数值模型。模型基于格子Boltzmann方法和有限差分方法,模拟了微通道非等温热表面上近壁面处的沉积物溶质质量浓度分布和污垢生长过程,研究了流速、壁温和沉积物溶质质量浓度对微通道热表面污垢析晶沉积的影响。结果表明:沉积初始时刻流速和壁温对近壁面沉积物溶质质量浓度分布具有不同程度的影响,随着污垢不断生长,污垢-流体界面处的析晶沉积速率减小;相比于流速,沉积物溶质质量浓度对污垢热阻的影响更为显著。

LNG低温闪蒸气动态吸脱附特性的格子玻尔兹曼模拟

为研究LNG闪蒸气在低温储存环境下的吸/脱附特性及热效应,基于格子玻尔兹曼方法建立了多孔介质内闪蒸气流动传热传质的数值模型,并考虑闪蒸气在多孔介质表面的吸附作用和内部微晶孔扩散作用及传热效应,分析不同孔隙率多孔介质材料的闪蒸气低温吸附热力学特性。结果表明:闪蒸气的吸附作用使多孔介质温度明显升高,吸附速率与孔隙率呈负相关,吸附量和温度变化受孔隙率影响较小;环境热量驱动下闪蒸气从多孔介质中脱附,通过脱附吸热抵消了约45%的外部漏热侵入,且随着孔隙率增大闪蒸气脱附吸热效应增强。