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LNG工厂换热技术的研究进展

天然气工业 2012年第10期32卷 80-85,117-118页

作者：陈永东周兵程沛合肥通用机械研究院国家压力容器与管道安全工程技术研究中心

对比分析适用于多股流传热的缠绕管式换热器(SWHE)和板翅式换热器(PFHE)的应用效果,指出PFHE具有结构相对紧凑、传热效率较高等特点,但其在可靠性、抗热冲击负荷、浮式LNG的适应性等方面表现较差,国际上存在着PFHE大型化和SWHE小型化的... 详细信息

对比分析适用于多股流传热的缠绕管式换热器(SWHE)和板翅式换热器(PFHE)的应用效果,指出PFHE具有结构相对紧凑、传热效率较高等特点,但其在可靠性、抗热冲击负荷、浮式LNG的适应性等方面表现较差,国际上存在着PFHE大型化和SWHE小型化的趋势。介绍了新型核状沸腾强化管(GEWA-PB)和冷凝强化管(GEWA-KS)的应用,论述了采用海水一次通过的直接冷却法的优点:可靠性高、易维护、电耗低、生产稳定性好、安全性高;从全寿命周期的经济性和可靠性角度指出选择钛材作为主制冷剂冷凝器和压缩机级间冷却器具有明显的优势。还介绍了实际混合物制冷剂的冷凝过程及Hammerfest LNG工厂基于实际冷凝过程和机械可靠性对使用的螺旋折流板换热器进行结构改进的措施。最后建议,中国在LNG工厂的换热技术上应着手以下几个方面的研究工作:①开展基于SWHE、处理规模为106 m3/d LNG装置MCHE的研究;②开展基于实际工质下高效冷凝管和蒸发管的传热与流动研究;③系统研究直接冷却法和间接冷却法对LNG装置的影响,加大整个装置范围内材料及设备对海水的适应性研究;④加大钛高效管的研究,结合壳程纵向流动的研究和高效传热元件的利用,开发出具有良好热力性能和机械可靠性的实际混合物制冷剂冷凝器。

关键词： LNG换热器 SWHE PFHE GEWA—PB GEWA KS 直接冷却法螺旋折流板换热器

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本刊主办院校研究生学位论文题录

高校化学工程学报 2004年第4期18卷 534-536页

天然气在管壳式换热器壳侧流动冷凝特性的实验研究

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天然气在管壳式换热器壳侧流动冷凝特性的实验研究

作者：庞晓冬上海交通大学

学位级别：硕士

管壳式换热器常被用作天然气液化流程中的预冷冷凝器,是液化流程中的关键换热设备。管壳式换热器在用于天然气液化预冷流程时,天然气混合冷剂流经换热器壳侧,低温海水流经换热器管侧。通常在管壳式换热器壳侧安装折流板来增加制冷剂的... 详细信息

管壳式换热器常被用作天然气液化流程中的预冷冷凝器,是液化流程中的关键换热设备。管壳式换热器在用于天然气液化预冷流程时,天然气混合冷剂流经换热器壳侧,低温海水流经换热器管侧。通常在管壳式换热器壳侧安装折流板来增加制冷剂的流速以达到强化换热的目的。相较于传统的弓形折流板,螺旋折流板能够有效减小流动阻力、减少流动死区、有效缓解换热器的振动等,因此螺旋折流板管壳式换热器通常被用作海水冷凝器。鉴于混合冷剂与纯冷剂换热特性的差异,研究螺旋折流板管壳式换热器壳侧的流动冷凝特性,对于优化换热器结构以及防止换热器失效等具有重要的意义。本文采用实验研究与数值模拟相结合的方法研究天然气在螺旋折流板管壳式换热器壳侧的流动冷凝特性,主要的研究工作包括:首先,设计并搭建了研究螺旋折流板管壳式换热器壳侧流动冷凝的实验装置。该实验装置能够实现对测试样件的入口干度、热流密度、质流密度等参数的控制,以测试不同工况下螺旋折流板管壳式换热器的换热性能。其中,测试样件的冷凝压力、热流密度和质流密度等参数与实际液化天然气工厂应用工况相接近。实验测试样件为一台小型卧式螺旋折流板管壳式换热器,其管径、管排布置及折流板结构参数等均基于实际海水冷凝器进行设计。并在测试样件上设置了高压玻璃视镜,用于观测测试样件壳侧的两相流型。通过对实验误差进行分析,实验得到的换热系数相对误差在±10.5%以内。其次,实验过程中随着质流密度和干度增加,分别观测到了滴状流、滴柱状流和柱状流。实验研究了纯冷剂丙烷和乙烷/丙烷混合冷剂（配比0.5/0.5）在螺旋折流板管壳式换热器壳侧两相流动冷凝换热特性,得到了入口干度、热流密度和质流密度等参数对换热器壳侧流动冷凝换热特性的影响规律。在实验工况范围内,两种介质丙烷和乙烷/丙烷混合冷剂受干度、热流密度和质流密度的影响规律接近。在干度0.4~0.9范围内,换热器壳侧换热系数随干度增大逐渐增大;当干度增加为1时,换热系数急剧减小。随热流密度的增加,丙烷和乙烷/丙烷混合冷剂壳侧换热系数均单调递增,且增长速度逐渐变小。随质流密度增加,丙烷和乙烷/丙烷混合冷剂壳侧换热系数均单调递增。与纯丙烷相比,乙烷/丙烷混合冷剂的换热系数减小35%~65%左右。再次,在现有管束冷凝换热关联式的基础上分别开发了适用于丙烷和乙烷/丙烷混合冷剂的管壳式换热器壳侧流动冷凝换热关联式。对于纯丙烷壳侧流动冷凝,新关联式的预测值与95%实验数据误差在±20%以内;对于乙烷/丙烷混合冷剂壳侧流动冷凝,新关联式的预测值与92%实验数据误差在±20%以内。最后,为了更好的研究螺旋折流板管壳式换热器壳侧两相流动的气液相分布规律,本文采用数值模拟的方法对换热器壳侧进行模拟研究,并将模拟结果与实验观测结果进行对比。模拟对象为与实验测试样件结构相同的几何模型,并采用VOF多相流计算模型进行计算。模拟得到了换热器壳侧气液相分布、压力分布、流动迹线等。模拟得到的气液相分布结果与实验观测的流型结果相一致。

关键词：螺旋折流板换热器天然气关联式冷凝流型

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管壳式换热器分段传热算法研究

管壳式换热器分段传热算法研究

作者：伍美大连理工大学

学位级别：硕士

目前管壳式换热器普遍的设计计算方法是根据管壳程进出口平均温度确定物性,估算传热系数。对于发生相变传热的换热器,该方法的计算结果可能会偏离实际情况,因此有必要将换热器传热模型分段,研究其微段传热机理;多管程换热器的热力计算... 详细信息

目前管壳式换热器普遍的设计计算方法是根据管壳程进出口平均温度确定物性,估算传热系数。对于发生相变传热的换热器,该方法的计算结果可能会偏离实际情况,因此有必要将换热器传热模型分段,研究其微段传热机理;多管程换热器的热力计算一般采用温度校正系数F=f（p,R）来校正对数平均温差,该方法同样不适用于分段计算。另外,在传热过程中,多管程换热器的后几个管程很容易出现温度交叉,无法继续进行计算,从而无法获得此时换热器内的真实传热情况。故本课题针对以上问题,从传热机理分析、分段数值算法研究以及程序编制和校核三方面深入研究横掠式换热器及螺旋折流板换热器内管壳程各微段传热特性:（1）传热机理分析:研究换热管内沸腾传热和冷凝传热机理,总结管内沸腾临界点计算方法和管内外传热及压降模型,提出适于分段计算的传热机理判据。（2）数值算法研究:将换热器内传热模型分段,建立一维静态传热控制方程。基于微分法,建立管壳侧壁面导热传热模型。分别针对横掠式和螺旋折流板式换热器建立整体迭代微分传热模型,并针对多管程换热器温度交叉的问题进行了研究。（3）程序编制和校核:根据数值算法通过Fortran 95语言编制横掠式及螺旋折流板式换热器程序。将程序计算的横掠换热结果与HTRI软件计算结果对比进行校核分析,将螺旋折流板换热结果与工程数据对比进行校核分析。本文研究的多管程分段算法是通过迭代计算使管程转向处温度收敛从而得到换热结果,故不需要对对数平均温差进行F因子校正。可以在温度交叉后自动判断传热方向进行修正计算,运算完成后可以得到换热器内管壳程沿程方向各微段的传热数据。程序计算结果与HTRI软件计算结果及工程数据的相对误差分别在9%和13%以内,具有较高的准确性,且为工程上换热器的设计和优化提供了详细的数据支撑。

关键词：螺旋折流板换热器横向冲刷传热分段计算 HTRI

一种超临界CO2动力循环换热系统的热力设计和变工况性能研究

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一种超临界CO2动力循环换热系统的热力设计和变工况性能研究

作者：郑舒星东南大学

学位级别：硕士

Allam-Z循环是一种采用直燃加热式,以循环CO和燃烧产物作为工质的简化型超临界CO动力循环,具有循环效率高、回热系统简单、结构紧凑并且能够利用燃料和液氧“冷能”实现高品质CO全捕集等优点。本文针对此种以高效发电和CO捕集为目标的... 详细信息

Allam-Z循环是一种采用直燃加热式,以循环CO和燃烧产物作为工质的简化型超临界CO动力循环,具有循环效率高、回热系统简单、结构紧凑并且能够利用燃料和液氧“冷能”实现高品质CO全捕集等优点。本文针对此种以高效发电和CO捕集为目标的超临界CO动力循环的换热系统进行了初步热力设计,并以100MW发电机组为算例,研究换热器结构参数对设计工况下Allam-Z循环效率的影响;并且对在变工况条件下换热器参数变化以及循环系统性能变化情况进行了研究。本文首先针对Allam-Z循环应用热力学、传热学和多组分多相流体动力学等相关知识,考虑循环各热力单元的热力特性及机理,建立适用此循环的热力仿真计算模型。针对Allam-Z循环系统的换热器在实际应用过程中存在的部分换热器(如HX1)的热负荷较大、NG(天然气)和O同时与热流体进行换热时多股流换热器设计制造难度较大等问题,将多股流换热器分为并联换热器,大温降换热器分为串联换热器。对Allam-Z循环的换热系统做出具体修改设计,即对HX1采用三个换热器串联的形式、对HX5采用两组两个串联换热器并联的形式,对HX4采用两组换热器并联的形式并将其低温流体的冷量由间接冷却冷却水改为直接冷却从HX3流出的CO流体。其次,将具有传热系数高、压降阻力小优点的螺旋折流板换热器应用于Allam-Z循环系统。分别以大型换热器HX1-1和小型换热器HX5a-1为例,通过改变壳体内径以及管外径和管中心距的方法来对换热系统螺旋折流板换热器的传热性能以及结构参数情况进行研究。研究方案包括管外径d与管中心距S恒定时,四种不同壳体内径D;壳体内径D取恒定值时,六种不同管外径d、管中心距S的换热器结构方案。利用换热器设计校核商用软件HTRI,对换热器壳程和管程压降Δp和Δp、总传热系数U、壳侧和管侧换热系数h和h、壳程和管程综合指标h/Δp和h/Δp、管长L、换热面积A和壳侧流速v等参数和指标进行了流动与传热性能分析;并给出了由换热器壳程总压降决定的透平背压对循环效率影响的定量值;对Allam-Z循环的换热系统的所有换热器进行了热力设计。分析结果可为Allam-Z循环换热系统的热力设计和优化提供参考。第三,在优化设计的Allam-Z循环换热系统基础上,对透平负荷为50 MW～100 MW之间以10MW为台阶改变的6个变工况条件下循环系统各换热器参数的变化和总体循环性能情况进行了研究。以CO冷凝器HX4出口压力7.21 MPa为目标,通过不断改变透平背压的值,并应用弗留格尔公式计算透平初压,修正透平焓降值,进行从透平排气到CO凝结沿线各换热器流动和传热过程的迭代计算,对循环系统变工况进行调节,迭代结果显示透平负荷为50 MW～100 MW的变工况方案下,透平背压分别为7.52 MPa～8 MPa;并且获得了壳程质量流量G、管程质量流量G、壳/管程进出口温度、壳/管程流体的温升或温降、对数平均温差、换热量Q、总传热系数U、壳/管程两侧换热系数、壳/管程两侧压降、透平焓降以及发电输出效率、等效净效率等性能的变化规律。结果显示随着透平负荷的降低,各换热器的对数平均温差和总传热系数都不断减小,透平入口压力和透平焓降也不断减小,且发电输出效率与等效净效率都随之降低。在50%负荷时,发电输出效率与等效净效率分别降低为满负荷功率时的78.8%和77.2%;各换热器的总传热系数降低为满负荷功率时的80.6%～84.7%。

关键词：超临界CO2 Allam-Z 换热器螺旋折流板换热器变工况

旋流结构强化换热器壳侧换热与流动的数值研究

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旋流结构强化换热器壳侧换热与流动的数值研究

作者：郑灿太原理工大学

学位级别：硕士

现阶段我国经济虽然增长迅速,许多建设取得很大的成就,但与之对应也付出了巨大代价,资源和环境被严重破坏,二者之间的矛盾日趋尖锐。这种情况是经济结构与增长方式不合理导致的。因此要坚持清洁发展、节约发展和安全发展,这样才能实现... 详细信息

现阶段我国经济虽然增长迅速,许多建设取得很大的成就,但与之对应也付出了巨大代价,资源和环境被严重破坏,二者之间的矛盾日趋尖锐。这种情况是经济结构与增长方式不合理导致的。因此要坚持清洁发展、节约发展和安全发展,这样才能实现经济又快又好的发展。换热器广泛应用于各重工业、医药业、航空业等经济支柱产业。这些行业同样也是耗能大户,换热器的节能改造设计对节能减排具有非常重大的意义。近些年来国内外专家对传统管壳式换热器进行研究改造,努力开发研究新一代强化传热方式,以便更好的满足不同使用场所对管壳式换热器的性能要求。通过分析归纳总结前人的螺旋折流板换热器及其研究方向和方法,本文提出了一种新型螺旋折流板的螺旋折流板换热器。并对管壳式换热器壳程强化换热和流动性能进行了研究,研究主要内容如下:(1)同时建立螺旋折流板换热器物理模型,建立传统弓形折流板换热器的物理模型,选用了四种不同的螺旋角,即35°、40°、45°和50°,并分别划分网格。(2)开展了新型螺旋折流板换热器全面的数值模拟计算,为了方便计算,本文提出三种模型假设,即假设换热器管束和内壁与折流板是紧密连接的,三者之间无缝隙,并且流体不可以通过;假定进出口流体处于充分发展段;,假设管束温度为定常温。进口设置为速度入口,采用RNG湍流模型处理湍流效应对流动与传热的影响,速度和压力的藕合采用Simple算法,采用二阶迎风格式。流体进口温度30℃,管束温度为70℃。(3)针对螺旋角度为45°的螺旋折流板换热器,分别采用空气、水和油三种不同粘度的流体为介质,获得其速度场、压力场和温度场,并找出三者之间的变化规律与相互影响关系。数值结果表明,当流体介质为空气、水和油时,螺旋折流板换热器壳侧压降分别比弓形折流板换热器降低了44.1%、47.4%和43.8%,单位压降下的换热系数分别提高了 79.3%、52.9%和 47.5%。(4)对于螺旋角度为35°、40°、45°和50°的四种管壳式换热器进行了分析计算,其进口速度为1.032m/s、1.5m/s、2.0m/s、2.5m/s和***/s,采用水为流体介质。结果表明,螺旋角为45°时,换热器换热性能最好;螺旋角为35°、40°、45°和50°的螺旋折流板换热器的单位压降下的换热系数要比传统弓形折流板换热器分别提高32.1%、40.7%、52.9%和 24.9%。(5)在不同流体介质,即空气、水和油,及不同流速下,即1.032m/s、1.5m/s、2.0m/s、2.5m/s和3.0m/s,对螺旋角为45°时的螺旋折流板换热器进行对比分析。选用单位压降下的换热系数作为评比标准,结果表明工质为油时的换热效果最差,流体介质为水的换热器换热效果最优。

关键词：螺旋折流板换热器螺旋角数值模拟壳程强化传热

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设备及公用工程

石油石化节能与减排 2008年第6期 52-60页

TE685 200806483炼油厂循环水装置排污水处理回用研究[刊]/刘发强,张建国…(中国石油兰州化工研究中心)//中外能源.-2007,12 (5).-100～103针对炼油厂循环水装置排放的污水浊度和悬浮物含量较高的状况,开发出循环水降浊处理技术,该技术... 详细信息

TE685 200806483炼油厂循环水装置排污水处理回用研究[刊]/刘发强,张建国…(中国石油兰州化工研究中心)//中外能源.-2007,12 (5).-100～103针对炼油厂循环水装置排放的污水浊度和悬浮物含量较高的状况,开发出循环水降浊处理技术,该技术可以把水质浊度由158.0FTU直接降低到10.0FTU以下。

关键词：辽宁石油化工大学公用工程中国石油化工股份有限公司螺旋折流板换热器设备技术中国石油天然气股份有限公司压缩机压力容器炼油厂原因分析

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科技成果信息

甘肃科技纵横 2000年第2期 23-25页

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无水氟化氢生产装置余热利用及节能措施

化工生产与技术 2022年第5期28卷 40-42,I0005页

作者：江云波葛立平玖誉(山东)科技工程有限公司山东土星检测技术服务有限公司山东淄博255000

分析了采用萤石-硫酸法生产20 kt/a无水氟化氢(AHF)热量损失部位与原因,并采取相应的措施。利用烟道气余热利用热加精馏塔塔釜物料,降低了精馏塔蒸汽用量;采用两进四出的热风分配方式,提高转炉夹套与炉头、炉尾之间的密封性,定期检测及... 详细信息

分析了采用萤石-硫酸法生产20 kt/a无水氟化氢(AHF)热量损失部位与原因,并采取相应的措施。利用烟道气余热利用热加精馏塔塔釜物料,降低了精馏塔蒸汽用量;采用两进四出的热风分配方式,提高转炉夹套与炉头、炉尾之间的密封性,定期检测及管控转炉燃烧炉、转炉的外层温度,可降低的热量损失;一级冷凝器、二级冷凝器采用连续螺旋折流板冷凝器,能降低流动阻力,减少换热死区,提升换热效果,有效降低产品电耗。

关键词：无水氟化氢装置余热利用能耗螺旋折流板换热器