Research on the falling film flow and heat transfer characteristics of FLNG spiral wound heat exchanger under sea conditions

As the key equipment of floating liquefied natural gas(FLNG)process,the performance of spiral wound heat exchanger(SWHE)influences operation costs and reliability of the whole system.The sea conditions destroy the falling film flow state of the refrigeration and then affect the heat transfer performance of FLNG SWHE.In order to design and optimize the SWHE,a cryogenic experimental device of FLNG process and a numerical model of falling film flow have been constructed to study the effects of sea conditions on the falling film flow and heat transfer characteristics of SWHE.The cryogenic experimental results show that the pitching conditions have larger effects on the heat transfer performance than yawing.Under the pitching angle of 7°,the natural gas temperature and gaseous refrigerant temperature increase by 3.22°C and 7.42°C,respectively.The flow rates of refrigerant and feed natural gas have a great impact on the heat transfer performance of SWHE under pitching and compound sloshing conditions.When the tilt angle increases to 9°,the tube structure with outer diameter D=8 mm and pipe spacing S=4 mm is recommended to reduce the drying area of the pipe wall surface.

Distribution performance of gas–liquid mixture in the shell side of spiral-wound heat exchangers

The non-uniformity of gas–liquid mixture is a critical issue which leads to the heat transfer deterioration of spiralwound heat exchangers(SWHEs).Two-phase mass flow rate and the content of gas are important parameters as well as structural parameters which have prominent influences on flow distribution uniformity of SWHE shell side.In order to investigate the influences of these parameters,an experimental test system was built using water and air as mediums and a novel distributor named"tubes distributor"was designed.The effects of mass flow rate and the content of gas on two-phase distribution performance were analyzed,where the mass flow rate ranged from 28.4 to 171.9 kg·h-1 and the content of gas changed from 0.2 to 0.8,respectively.The results showed that the mixture mass flow rate considerably influenced the liquid distribution than that of gas phase and the larger mass flow rate exhibited the better distribution uniformity of two-phase flow.It was also found that the tubes distributor had the better two-phase uniformity when the content of gas was around 0.4.Tube diameter played an important role in the distribution of gas phase and slit width was more significant for the uniformity of liquid phase.

Experimental Study on Thermal Performance of FLNG Spiral Wound Heat Exchanger under Sloshing Conditions

The FLNG spiral wound heat exchanger(SWHE) is affected by the sea conditions, which leads to more complex flow process and decrease the heat transfer performance of the heat exchanger. In order to study the thermal performance of FLNG SWHE under heaving and swaying conditions, the experimental devices of FLNG SWHE and six-DOF(degree of freedom) sloshing platform were built. The effects of heaving and swaying motions on the pressure drop and heat transfer characteristics were analyzed at different sloshing amplitudes. The results showed that the heaving and swaying motions can cause the temperature rise and pressure fluctuation of SWHE, especially for swaying. The effect of sloshing on the heat transfer performance at the top of SWHE was greater than bottom. The pressure fluctuation percentage was within 7% and the amount of temperature change was less than 2℃, under the sloshing displacement among 120–255 mm.

Numerical and experimental study on the falling film flow characteristics with the effect of co-current gas flow in hydrogen liquefaction process

Liquid hydrogen storage and transportation is an effective method for large-scale transportation and utilization of hydrogen energy. Revealing the flow mechanism of cryogenic working fluid is the key to optimize heat exchanger structure and hydrogen liquefaction process(LH2). The methods of cryogenic visualization experiment, theoretical analysis and numerical simulation are conducted to study the falling film flow characteristics with the effect of co-current gas flow in LH2spiral wound heat exchanger.The results show that the flow rate of mixed refrigerant has a great influence on liquid film spreading process, falling film flow pattern and heat transfer performance. The liquid film of LH2mixed refrigerant with column flow pattern can not uniformly and completely cover the tube wall surface. As liquid flow rate increases, the falling film flow pattern evolves into sheet-column flow and sheet flow, and liquid film completely covers the surface of tube wall. With the increase of shear effect of gas-phase mixed refrigerant in the same direction, the liquid film gradually becomes unstable, and the flow pattern eventually evolves into a mist flow.

圆管和扁形管的绕管式换热器壳侧流体降膜流动特性

为探究异型管绕管式换热器壳侧流体降膜流动和分布特性,建立了绕管式换热器三维物理模型,并基于流体体积(VOF)法多相流模型进行了数值模拟,对比分析了圆管和扁形管的管外流体降膜流动特性。结果表明:圆管和扁形管的管外轴向降膜流动分布均呈现“波谷-波峰-波谷”形状;扁形管的管外流体降膜流动速度明显大于圆管;圆管的管外液膜最薄处为圆周角120°处,扁形管的管外液膜最薄处在90°~120°之间;随着管间距的增加,圆管和扁形管的管外液膜平均厚度均呈下降趋势,扁形管周向液膜平均厚度比等周长圆管小10%~29%;随着缠绕角的增加,扁形管的管周向液膜平均厚度比等周长圆管小4%~28%。因此,推荐使用扁形管替代圆管作为绕管式换热器的缠绕管。

CT与MRI在膝关节软骨损伤分级诊断中的效能分析

目的:探究CT与MRI在膝关节软骨损伤分级诊断中的效能。方法:回顾性选取我院2021年1月-2023年1月收治的80例膝关节软骨损伤患者为研究对象,对所有患者行CT、MRI和关节镜检查,通过关节镜检查的结果,评估二者的分级诊断效能,并比较CT与MRI在膝关节软骨损伤分级诊断中的诊断价值。结果:患者经CT检查诊断的分级结果为Ⅰ级28例,Ⅱ级34例,Ⅲ级及以上18例;经MRI检查诊断的分级结果为Ⅰ级31例,Ⅱ级29例,Ⅲ级及以上20例。与关节镜检查的结果对比,CT的分级诊断准确率为81.25%(65/80),MRI的分级诊断准确率为95.00%(76/80)。MRI检查诊断膝关节软骨损伤患者的Ⅰ级诊断准确率、总准确率要高于CT检查,差异有统计学意义(P<0.05)。结论:CT与MRI均可对膝关节软骨损伤进行分级诊断,但MRI对膝关节软骨损伤分级的诊断准确率高于CT,具有更高的诊断效能。

不同螺旋缠绕异形管换热器壳程性能数值研究

缠绕管的形状对螺旋缠绕管换热器的传热能力有重要影响,本文建立了具有不同截面形状的螺旋缠绕管换热器模型,数值研究了八种不同截面形状的缠绕管对螺旋缠绕管换热器壳程流动与传热性能的影响。相比于传统圆管,三叶管和水滴管对壳程流体造成的扰动较大,增强了螺旋缠绕管换热器的综合换热性能,而三叶管则具有最大换热能力。进一步分析了不同冲刷方式对螺旋三叶管换热器和螺旋水滴管换热器壳程性能的影响,结果表明:在相同的进口工况下,螺旋三叶管换热器壳程努塞尔数相比于传统圆管提高了11.8%~15.5%,阻力系数增大了41.9%~49.6%;螺旋水滴管换热器壳程努塞尔数相比于传统圆管提高了2.8%~4.3%,阻力系数增大了3.2%~6.8%;在雷诺数为2 603~5 206的工况条件下,管截面与流动方向夹角为0°的三叶管换热器综合换热性能最好,而管截面与流动方向呈逆流形式的水滴管换热器综合换热性能优于顺流形式。

基于截面参数R(R_(1),R_(2))的金属缠绕垫片结构优化设计

金属缠绕垫片广泛应用于管道法兰静密封,其结构对力学性能和密封性能具有重要的影响作用。在常用金属缠绕垫片“V”形简化模型的基础上,提出改进的R(R_(1),R_(2))截面参数简化模型,可以更好地符合工艺要求;将柔性石墨密封带的接触压力、等效应力和压缩回弹作为关键性能指标,构建基本的柔性石墨金属缠绕垫片几何结构优化的目标函数及约束条件方程,利用ANSYS软件对改进模型进行仿真模拟分析,探究不同垫片结构参数对关键性能指标的影响,应用响应面法确定多约束条件下金属缠绕垫片的最优结构。

基于ANSYS的机械制螺旋缠绕PVC-U内衬管结构优化

为优化机械制螺旋缠绕PVC-U内衬管的结构,提高其环刚度,基于ANSYS建立螺旋缠绕内衬管环刚度试验模型,分析不同设计参数T肋顶板厚度(a)、T肋腰宽度(b)、T肋高度(h)、圆弧半径(r)对螺旋缠绕内衬管环刚度和管材体积的影响,并结合正交试验确定最适设计参数。结果表明,按照不同设计参数对螺旋缠绕内衬管环刚度和管材体积的影响由高到低排序分别为T肋高度、T肋腰宽度、T肋顶板厚度和圆弧半径,优化后最适设计参数为a=2.5 mm、b=4.5 mm、h=28 mm、r=1.5 mm,在该条件下,螺旋缠绕内衬管环刚度与优化前相比提高了32.17%,管材体积仅增大11.43%。有限元分析结果显示,随T肋顶板厚度、T肋腰宽度和T肋高度的增加,上板压力和管材体积呈逐渐增大的趋势;随圆弧半径的增加,上板压力呈先减小后增大的趋势,管材体积基本不变。

贫/富甲醇换热器壳程通道堵塞的原因及处理

某公司低温甲醇洗装置在生产运行期间,出现贫/富甲醇换热器壳程富硫甲醇循环量下降、管程贫硫甲醇温度升高、再吸收塔下塔积液、热再生塔液位偏低和尾气中携带甲醇等异常工况,伴随工况恶化,净化气中二氧化碳含量和硫化物含量经常超标。为此,制定并实施了一系列在线维护方案。装置开车后富硫甲醇循环量恢复正常,装置负荷由停车前的65.0%提升至76.5%。

绕管式换热器壳侧液体降膜流传热特性分析

为研究绕管式换热器壳侧传热特性,建立了以丙烷为模拟工质的三维液体降膜流传热模型,进行了不同流动工况下液体降膜流的传热数值模拟,分析了雷诺数、液相入口温度、换热管壁温、壳侧工作压力对绕管式换热器传热性能的影响。结果表明,流动工况对绕管式换热器的传热性能有显著影响;对于液体降膜流,传热膜系数随着雷诺数增大而增大,同时相同雷诺数时,随着换热管管层下降传热膜系数逐减减小;当液相入口温度升高时,传热膜系数增大,液相入口温度升高0.2 K时,平均传热膜系数升高约15%;当管壁温度与饱和温度间的温差较小时,升高管壁温度传热膜系数有明显增加,当管壁温度与饱和温度温差较大时,传热膜系数变化不显著。对于丙烷,工作压力增大时,液体降膜流的传热膜系数减小,当工作压力从0.2 MPa增大到0.3 MPa时,传热膜系数降低10%~15%,当工作压力从0.3 MPa增大到0.4 MPa时,传热膜系数降低约5%。所得结果可为绕管式换热器工艺设计提供参考。

横掠管束降膜流动和传热特性

为了明确绕管式换热器壳侧降膜流动特性对传热性能的影响,建立三维壳侧计算域,采用VOF模型,在干度工况范围为0.1~0.9,热流密度为1 275~8 000 W/m^(2),质量流率为120 kg/(m^(2)·s)时,分析了乙烷在绕管式换热器壳侧降膜流动过程。结果表明:对于乙烷工质,流型依次为层状流、半环状流、液滴流。干度为0.3,热流密度为4 000 W/m^(2)时为层状流向半环状流转化点;干度为0.6和0.7,热流密度4 000 W/m^(2)时为半环状流向液滴流转化点;在层状流向半环状流及半环状流向液滴流转化点传热系数均下降。干度为0.1~0.2,传热系数与干度成正相关;干度为0.3~0.7,传热系数与干度成负相关;干度为0.8~0.9,传热系数随干度变化不明显;流型为层状流和半环状流时,热流密度与传热系数成正相关。流型为液滴流时,热流密度与传热系数成负相关。

金属石墨缠绕垫片蠕变对法兰接头密封性能的影响

法兰接头在高温环境中工作时,接头各个部件的蠕变松弛会加剧,然而在法兰接头的研究中,大多没有考虑垫片的蠕变松弛。以金属石墨缠绕垫片为例,在不同温度及不同初始密封比压情况下进行蠕变松弛性能试验;将试验结果进行拟合得到垫片蠕变松弛性能计算公式,将其代入法兰接头变形协调方程中,计算得到接头蠕变2年的螺栓力随时间的变化情况。使用ANSYS软件建立法兰接头有限元模型,并计算不同部件蠕变2年所造成的螺栓力的松弛情况。理论计算结果与有限元计算结果相近,表明建立的理论模型可用于接头螺栓力松弛的评估。研究结果表明:初始密封比压相同时,温度越大则垫片的蠕变量越大,温度相同时,初始密封比压越大则垫片的蠕变量越大;垫片蠕变对法兰接头有显著影响,在一些情况下仅垫片蠕变就能使螺栓力下降40%,因此垫片蠕变对法兰接头的影响不能忽略。

缠绕管式换热器全模型研究

缠绕管式换热器由于结构紧凑、换热效率高,在化工领域有广泛的应用,但其复杂性也为研究带来困难。利用mixture模型和相变模型构建了全三维尺度下的数值方法,实现了缠绕管式换热器壳程和管程流动、传热过程的计算。搭建了米级换热器实验及测试平台,建立了相应的全三维、同尺寸数值模型;采用Lee相间传质模型,实现了蒸发-冷凝模拟,获得换热器器件尺度传热系数和相变总量。计算的传热系数与实验测量值的相对误差为4.98%。基于所构建的全模型,数值研究了操作条件对传热特性和相变的影响,分析了换热段长度和缠绕管层数对传热性能的影响,为缠绕管式换热器的设计开发提供了数据和平台支持。

螺旋管内超临界二氧化碳换热性能的模拟和试验研究

对超临界二氧化碳(S-CO_(2))在螺旋管内的对流换热性能进行模拟和试验研究。探讨了热流密度q、质量流量G、节距P、管内径d、螺旋半径R等流动、结构特性对流动传热的影响,并对各结构特性灵敏度做了量化分析;搭建了闭式循环的S-CO_(2)测试平台,对螺旋管内S-CO_(2)对流换热性能进行了试验研究,并基于试验工况数据验证了数值模拟的准确性;对数据进行处理,拟合出了S-CO_(2)的传热关联式。该研究为S-CO_(2)螺旋管式换热器的热力设计方法奠定了基础,并在核电及光热发电领域具有一定的工程应用价值。

两种入水角对卷式膜组件内部流动和流场的影响

本文采用计算流体力学(Computational Fluid Dynamics,CFD)方法对卷式膜组件内部的流场进行了3D模拟,讨论了两种入水角对速度、壁面剪切应力、压降等的影响。当入水角为0°时速度、壁面剪切应力和压降都与45°时存在明显差异,入水角为0°时流动受到的阻碍更强,流动速度关于膜组件中心截面对称,而入水角45°则关于膜组件中心截面反向对称。0°入水角时压降呈阶梯状下降,流经隔网时下降更剧烈,而45°入水角时压降呈线性平缓下降。因此,45°入水角在高剪切力冲刷膜面,减少浓差极化,预防潜在的膜污染,以及稳定膜滤压力、降低操作能耗等方面均优于0°入水角,可供工业设计与工艺优化参考。

螺旋缠绕管式换热器传热性能优化与计算程序开发

螺旋缠绕管式换热器作为新型换热设备,与传统换热器相比,更为紧凑的管排列方式,增大了设备单位体积内的传热面积,且流体流动过程更易多流股化,从而提升传热综合效率;对设备的传热特性进行研究并与计算机技术相结合实现性能优化与计算方法改善,对于实际设备设计生产与使用具有重要意义;通过计算流体力学(CFD)方式,对螺旋缠绕管式换热器进行简化计算模型结构工作并开展数值模拟,研究不同管排列方式,相邻管层间距,壳程流速,换热管使用材料在设备换热性能方面的影响情况,得到设备优化结构,实现设备性能提升;选定管内径,管缠绕圈数,壳程流速以及管缠绕半径4个因素及其相对应水平参数开展正交试验,并分析单因素对于绕管式换热器综合传热性能PEC的影响情况及各因素的主次程度;运用Visual Basic语言进行计算程序开发,通过对流体物性参数、管内径、管缠绕圈数及管程数等进行输入并自动计算,实现压降,传热系数,综合性能指数等结果的可视化,提高后期设计工艺计算精度。

天然气液化主低温换热器流动换热特性教学实验设计

基于油气储运工程专业课程实验少有涉及天然气液化工艺中主低温换热设备,自主设计了天然气液化主低温换热器流动换热特性测试装置,装置具有较好的通用性,可实现不同类型的低温换热器流型观测和性能测试。同时基于可拆卸的测试段设计,能够实现绕管式换热器、印刷电路板式换热器等不同换热器结构参数、换热管型等对换热特性影响的研究。介绍了该装置的工艺流程和测试实验件的设计,分析了实验系统用于课程实验的可行性。结合本科生液化天然气利用技术以及传热学等相关课程的教学内容,设计了用于低温换热的绕管式换热器和印刷电路板式换热器的相关教学实验,得出了典型测试条件下流型观测结果及换热和压降特性曲线。

基于ANSYS的列管和螺旋绕管水冷壁外压屈曲分析

干煤粉气流床气化炉的炉膛多为水冷壁结构,炉膛外侧环隙压力大于炉膛压力,异常工况需要紧急泄压时,炉膛因承受负压可能导致屈曲失稳变形。使用ANSYS软件,对列管式和螺旋绕管式两种结构的水冷壁进行线性特征值屈曲分析以及非线性屈曲分析。线性特征值分析结果表明,两种结构水冷壁都具有类似短圆筒的特性,相同工况下螺旋绕管水冷壁的临界失稳压力是列管式水冷壁的约2.5倍;目前工程中,影响结构非线性屈曲性能的主要因素为几何形状偏差,非线性屈曲分析结果表明,在工程极限允差下非线性临界载荷降低至特征值屈曲临界载荷的60%。本研究可为圆筒形水冷壁的结构设计提供参考。

多轴联动蒸发器管精密螺旋缠绕设备的设计

蒸发器是制冷系统的主要换热装置,一般采用绕管式蒸发器,常由铝管或铜管沿着内胆螺旋缠绕而成。本文针对D型蒸发器管,以机电一体化技术、伺服驱动技术、多轴协同控制技术及机械设计理论为基础,设计了一种智能缠绕设备。该设备具有自动送料、自动螺旋缠绕、无摩擦复合输送等功能。其中自动送料方案的设计中包含纠偏组件结构、牵拉组件结构、剪切结构、压D型结构的设计,缠绕运动设计中包含缠绕平台和高效转模的设计。为实现实时变速铜蒸发器管无摩擦复合输送,研究了铜蒸发器管的输送速度控制。该设备有利于D型蒸发器管的推广应用。