竖直内螺纹微肋管内LNG流动沸腾压降及传热特性研究

摘要

天然气(NG)具有高效、清洁、经济性好等优点,近年来日益受到人们的关注和青睐。液化天然气(LNG)的汽化是天然气开发利用过程中的一个重要环节。研究液化天然气在内螺纹微肋管内流动沸腾的压降与传热特性,对于汽化器的设计、换热效率的提高以及管路压力驱动装置的选定都具有非常重要的意义。LNG的汽化大都在管式换热器中进行,属于两相流动沸腾研究范畴。虽然关于两相流动沸腾的研究由来已久,但在目前公开发表的文献或研究报告中,很难找到关于液化天然气或其主要成分甲烷在管内流动沸腾的相关研究,尤其是在微肋强化管内流动沸腾的研究。本文主要针对LNG在竖直微肋强化管内的两相流动沸腾进行了研究,主要研究了流动沸腾过程中的压降特性和传热特性。本文主要做了以下工作:
　　1.设计、加工、搭建了适用于低温流体管内流动沸腾的实验台,并对实验台实验台进行调试和改进,以满足实验要求。制定了LNG管内流动沸腾实验工况。基于到LNG易燃易爆的特点,从实验的安全角度出发,制定了详细的实验操作步骤。
　　2.针对LNG在微肋强化管内流动沸腾进行了实验,测量了不同入口压力、质量流量以及热流密度下,相应测点的温度、压降等参数。对试验数据处理,得到各工况下的摩擦压降、传热系数等参数,并分析了实验误差。
　　3.系统研究和分析了LNG在竖直内螺纹微肋管内流动沸腾的压降特性,包括总压降特性和摩擦压降特性。分析了重力压降、加速压降以及摩擦压降这三个压降分量在总压降中所占的比例,研究了热流密度、质量流量以及入口压力的变化对流动过程中摩擦压降和总压降的影响。实验结果表明:加速压降在总压降中只占很小的比例,在质量流量较大的情况下,摩擦压降与重力压降比重相当;摩擦压降和总压降均随着热流密度、质量流量均单调增加,随着入口压力的增加呈现下降的趋势。此外,还将实验测得的数据与部分已有的摩擦压降经验关联式的计算结果进行比较,得出 Hu关联式预测效果最好,但仍然存在较大偏差。为此,在Hu关联式的基础上对?c系数进行了修正,并对修正后的关联式的预测精度进行了计算。
　　4.系统研究和分析了LNG在竖直内螺纹微肋管内流动沸腾的传热特性。分别得到了热流密度、质量流量以及入口压力的变化对局部传热系数和平均换热系数的影响。根据实验结果:在干度较低区域,局部换热系数随着热流密度的增加明显增大;平均换热系数随着热流密度的增加而增加;局部换热系数和平均换热系数随质量流量变化明显,随着质量流量的增加,局部换热系数和平均换热系数均明显增大;随着入口压力的增加,局部换热系数和平均换热系数均降低。最后,将实验结果与已有的传热经验关联式的预测结果进行了比较,得出 Koyama关联式预测精度最高。

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第一章 绪论

1.1课题研究的背景及意义

1.2管内流动沸腾研究现状

1.3本文主要研究内容

第二章 竖直内螺纹微肋管内LNG流动沸腾实验装置及方法

2.1实验系统

2.2实验方法

2.3实验工况

2.4实验数据的处理及误差分析

2.5本章小结

第三章 竖直内螺纹微肋管内LNG流动沸腾压降特性实验和理论研究

3.1压降的计算方法

3.2摩擦压降实验结果分析

3.3总压降特性分析

3.4微肋管内流动沸腾摩擦压降经验关联式

3.5摩擦压降经验关联式预测结果的比较

3.6摩擦压降关联式的修正

3.7本章小结

第四章 竖直内螺纹微肋管内LNG流动沸腾传热特性实验和理论研究

4.1换热特性分析

4.2微肋管内流动沸腾换热系数经验关联式

4.3换热系数经验关联式预测结果的比较

4.4本章小结

第五章 总结与展望

5.1本文总结

5.2研究展望

参考文献

致谢

攻读学位期间的学术成果