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。

低温甲醇洗绕管式换热器泄漏原因及处理措施

绕管式换热器的泄漏问题是低温甲醇洗装置稳定长周期运行的重大隐患。为消除这一问题,深入分析存在的制造缺陷、工艺不足、设计不全等多方面原因。基于这些分析,针对性地制定并实施了一系列有效的对策。结果表明,这些对策成功地解决了绕管式换热器的泄漏问题,显著提升了低温甲醇洗装置的运行稳定性和运行周期。这一经验对于类似装置的泄露问题解决方案具有重要的参考意义。

大型绕管式换热器气液均布器流体分配特性试验研究

针对LNG/FLNG大型绕管式换热器壳侧空间气液两相流体不均匀性造成的换热性能衰减问题,提出了一种适用于大型绕管式换热器的环管式均布器,并设计搭建了均布特性研究试验平台,研究不同流动条件下,沿径向、周向每个通道流量的比例系数和离散系数,并对有无均布器条件下的流体分配情况进行了对比。结果表明,流体分布随着流量增大而更加均匀,气相分布均匀性优于液相,气液两相周向分布均匀,径向分布由内至外两相质量流量逐渐减少,最内圈流量约为外圈流量的1.2倍,两相体积流量由内至外有所增大,最外圈流量约为内圈流量的1.5倍;放置均布器后,两相体积流量离散系数最大可以减小64%,两相质量流量离散系数最大可以减小57%。研究成果可为LNG/FLNG大型绕管式换热器均布器结构设计提供参考,有利于进一步提高均布效果。

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。

液化天然气绕管式换热器壳侧混合工质流动及传热特性

绕管式换热器壳侧的流动及传热特性对大型液化天然气/浮式液化天然气装备设计和优化具有重要意义。本文建立了两相流动沸腾数值模型以预测壳侧流型、压降及其传热效果。通过耦合VOF模型、相变传质模型和表面张力模型,探究了不同质流密度、干度等因素对壳侧流动传热特性的影响,并通过绕管式换热器流动换热实验平台进行了实验验证,证明了模拟所得规律与实验结果有良好的吻合性。结果表明:压降随干度的增加而增加;传热系数随干度的增加有所减小;壳侧制冷剂在不同干度下主要呈现柱状流、滴状流、气状流等流型。本研究为设计和优化绕管式换热器提供了理论基础。

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。

镇海炼化Ⅱ加氢裂化装置换热器(E1001)放空接管泄漏原因分析及处理

简要介绍了Ⅱ加氢裂化装置的反应流出物/混合进料绕管式换热器(E1001)的结构及发生泄漏的部位,分析了放空管泄漏的原因,重点介绍了该换热器修复的难点及修复程序。

FLNG绕管式换热器晃动实验分析

浮式液化天然气生产储卸装置(FLNG,又称LNG-FPSO)是一种用于海上天然气田开发的浮式生产装置。由于FLNG装置海上作业的特殊环境,FLNG液化工艺不仅要实现最基本的天然气液化功能,还需考虑海上恶劣的环境条件对FLNG液化工艺的影响。海洋中海浪的波动对液化系统中的关键设备——换热器影响较大。为了研究绕管式换热器在海上晃荡条件下的性能,通过建立双混合制冷剂液化工艺小试实验装置,进行绕管式换热器实验装置的晃动实验。结果表明实验装置晃动时,节流阀节流前压力降低,节流后压力升高,节流阀的节流效果变差,绕管式换热器换热效果变差。换热器的换热效果受到晃动的方向和FLNG中设备安装方向的耦合影响,倾斜工况下换热器换热效果受影响最大,受横摇影响较纵摇影响大。

绕管式换热器的结构形式分析及应用前景

介绍绕管式换热器的基本结构和性能特点,综述国内外绕管式换热器中绕管的结构发展状况,重点阐述了绕管的表面形态和缠绕方式,结合国内外学者的试验和模拟研究结果,说明不同绕管换热器的技术特性,并展望绕管式换热器的应用前景。

绕管式换热器壳侧降膜流动和相变传热的数值模拟

为了定量描述绕管式换热器壳侧降膜蒸发特性并进而优化换热器结构,建立了绕管式换热器壳侧降膜蒸发过程流动与传热的数值模型。首先对降膜流动过程中流型变化和传热传质机理进行分析;通过对降膜流动过程液膜所受表面张力、重力和剪切力的计算,实现层状流、柱状流和滴状流等不同流型的模拟;通过管壁面和气液交界面的组分守恒建立降膜蒸发过程的传质子模型,并基于传质速率计算得出潜热传热速率。将数值模拟结果与已有文献中实验数据进行了对比,结果显示89%的模拟数据与实验数据偏差不超过25%;模拟结果与实验数据吻合较好。基于提出的模型,对不同工况下的绕管式换热器壳侧降膜蒸发传热传质规律进行了分析。

LNG绕管式换热器管侧冷凝流型数值模拟

为了对液化天然气(LNG)用绕管式换热器管侧冷凝流型变化进行预测,本文用数值模拟的方法建立了基于VOF多相流、RSM湍流模型和Lee相变模型的冷凝计算模型,模拟了管侧三股流的冷凝流型,结果表明天然气在超临界压力下冷凝,气液物性接近,流型均具有均匀混合的特性,可采用均相流方法来计算;预冷段和液化段轻烃混合冷剂的冷凝流型主要有雾状流、环状流和分层流,流速越大环状流占的比重越大。

LNG绕管式换热器管内压降和传热的数值模拟

针对目前LNG绕管式换热器在设计时存在管内低温传热的不确定性,采用FLUENT软件分析了大螺距螺旋管在湍流状态下管内的压降和冷却传热特征。研究中分别采用4.8 MPa的气态甲烷和液态甲烷为介质,探讨了螺旋管结构、雷诺数Re、普朗特数Pr对压降和努塞尔数Nu的影响。结果表明:管径、缠绕直径、Re及Pr对压降和Nu的影响较大;螺距对传热和压降影响较小,可忽略不计。并将模拟值与Jayakumar等半经验值做对比,结果趋势一致。最后拟合出适用于LNG低温冷却状态下的Nu公式,为LNG绕管式换热器的工艺计算提供一定的依据。

绕管式换热器壳侧流动及传热模拟与实验研究

针对绕管式换热器的结构参数,建立不同管径(6 mm<d0<14 mm)、不同层间距(2 mm<S2<4.5 mm)和不同轴向间距(2 mm<Z<14 mm)的绕管式换热器的两层绕管几何模型.以水为换热介质,应用Fluent中Realizable k-ε湍流模型对绕管式换热器的壳侧流体的流动及换热特性进行了数值模拟,分析了管径、层间距和轴向间距对努赛尔数、场协同数、损失率和综合换热性能评价因子的影响.结合数值模型制作了实验模型并开展了性能测试,将测得的实验数据和模拟结果进行了对比,结果表明,在研究范围内,当管径为6 mm、层间距为3.5 mm、轴向间距为14 mm时,综合换热性能评价因子有最大值,温度差值、压力降模拟结果与实验数据相差1～4℃、0.8～1.2 kPa.

横摇工况下FLNG绕管式换热器降膜流动换热数值模拟研究

绕管式换热器作为浮式液化天然气生产储卸装置(FLNG)的主低温换热器,研究其在海况条件下换热性能的变化对提高FLNG在海洋环境运行时的综合性能具有重要意义。本文以绕管式换热器内换热管的管外降膜流动换热过程为研究对象,建立了圆管与椭圆截面正弦波管管外降膜流动换热模型,分析对比了水平静止和横摇工况下2种换热管的周向局部换热系数和平均换热系数。研究结果表明,在水平静止状态下,椭圆截面正弦波管的换热能力高于圆管。在横摇运动状态下,横摇最大倾斜角对椭圆截面正弦波管换热性能最恶劣时刻的周向局部换热系数影响较小,横摇周期对其几乎无影响;横摇时间、最大倾斜角和周期对圆管与椭圆截面正弦波管周向平均换热系数均无影响。对比分析表明,椭圆截面的抗晃荡能力稍逊于圆管,但晃荡工况下其换热性能仍高于圆管。本文研究结果对绕管式换热器的设计与性能优化具有一定参考价值。

绕管式换热器焊接结构的分析研究

介绍了大型高压、低温绕管式换热器的结构特点及其焊接技术,并从制造工艺角度对其主要焊接结构进行了初步评述。

缠绕管式换热器传热的优化设计及数值模拟

采用响应面及多目标遗传算法对缠绕管式换热器中绕管的管径、层间距、换热管缠绕角度等对其传热性能、压降的影响情况进行了数值模拟研究,结果表明:缠绕管式换热器的壳侧压降随着层间距、缠绕角、同层管间距的增大而减小;壳侧换热系数随着层间距的增大而减小,随着管外径的增大而增大,随着螺旋角的增大而先增大后减小;数值模拟结果与实验结果接近,为绕管式换热器的优化设计提供了可靠依据,具有一定的工程应用价值。

绕管式换热器管板应力的实验研究

采用组合式密封层和特制的引出导线密封装置，测定了在较高水压作用下的绕管式换热器的管板应力。测试结果表明，实验值与有限元计算值基本一致。

多股流绕管式换热器的管束排布及传热计算

多股流绕管式换热器的结构复杂,传热计算的难度较大。常见的计算方法是根据一些假定条件建立计算模型、进行数值求解,这种计算方法较复杂,不适合工程计算。而一些能用于工程计算的简便解析计算方法则存在迭代计算复杂、应用范围受限的缺点。本文列举了几种典型的多股流绕管式换热器的管束排列结构,分析了各自的结构特点;给出了多股流换热器的管板结构及相应的流体进出口接管方式,分析了各自的优缺点及应用场合。针对两种常规的多股流管束排列结构,即各股管程流体分层排布和同层排布,分别给出了适应于工程应用的简便传热计算方法。这两种计算方法将复杂的多股流绕管式换热器的计算分解为多个管程单股流绕管式换热器的计算,简化了计算过程。

绕管式换热器壳侧冷剂流体均配性能模拟研究

绕管式换热器是天然气液化的主低温换热器,绕管式换热器壳侧冷剂流体的均配性能严重影响换热器的换热效率。为此本文建立了绕管式换热器仿真模型,利用FLUENT软件进行数值模拟研究,分析了不同流量及干度工况下壳侧两相冷剂流体流动的均配特性。模拟结果表明:干度小于0.5时,流体分配随流量增大而更均匀,径向上内、外侧质量流量较中间多;干度大于等于0.5时,流体均配程度基本稳定,随流量增加变化较小,径向上由内至外两相质量流量减少;质量流量不变时,流体分配随干度减少而更均匀。

绕管式换热器换热面积的一种简捷计算方法

通过对绕管式换热器的换热分析,将某大型缠绕管式低温换热器和船用LNG系统换热器进行简化分析计算,并分别与其设计值比较,两个结果均表明此种换热器简捷计算方法能简单明了算出换热面积,并与传统计算设计值精度相当,满足设计计算要求,给换热器设计计算提供了参考。