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绕管式换热器壳侧液体降膜流传热特性分析

流体机械 2023年第5期51卷 55-62页

作者：何娜陈永东俞树荣周秀芝于改革兰州理工大学石油化工学院兰州730050 合肥通用机械研究院有限公司合肥230031 兰州城市学院培黎石油工程学院兰州730070

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... 详细信息

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。

关键词：绕管式换热器液体降膜流传热特性数值模拟

液化天然气绕管式换热器壳侧混合工质流动及传热特性

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化工进展 2023年第9期42卷 4496-4503页

作者：陈林徐培渊张晓慧陈杰徐振军陈嘉祥密晓光冯永昌梅德清中国科学院工程热物理研究所北京100190 中国科学院大学北京100049 江苏大学汽车与交通工程学院江苏镇江212016 中海石油气电集团技术研发中心北京100028 青岛农业大学建筑工程学院山东青岛266109

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... 详细信息

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。

关键词：数值模型绕管式换热器流动压降沸腾传热

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绕管式换热器管束模态试验

压力容器 2022年第1期39卷 27-33页

作者：李明凯王越周川黄国锋谭蔚武汉东海石化重型装备有限公司武汉430207 天津大学天津300072 天津大学浙江研究院浙江宁波315201

通过建立绕管式换热器模态试验测试系统,研究缠绕管的固有振动特性。根据缠绕管的几何特性不同,将缠绕管划分为曲管与绕管。在同一测试位置,曲管两方向上的固有频率接近,阻尼比总体上分布在1.1%附近。靠近收口段的绕管固有频率远大于中... 详细信息

通过建立绕管式换热器模态试验测试系统,研究缠绕管的固有振动特性。根据缠绕管的几何特性不同,将缠绕管划分为曲管与绕管。在同一测试位置,曲管两方向上的固有频率接近,阻尼比总体上分布在1.1%附近。靠近收口段的绕管固有频率远大于中间绕管区域,并且在各测点位置,径向的固有频率均略大于轴向的固有频率,表明绕管沿换热器轴线方向更易发生振动。研究结果为绕管的流致振动研究提供了基础数据。

关键词：绕管式换热器固有频率阻尼比模态试验

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绕管式换热器管板的应力分析及优化设计

绕管式换热器管板的应力分析及优化设计

作者：陈雅博郑州大学

学位级别：硕士

绕管式换热器因其换热性能优势在工业领域中应用广泛,其管板是最重要的承压部件,管板的力学性能及轻量化设计对于设备的生产使用安全及提高经济效益有着重要工程意义。此外,绕管式换热器结构形式独特,目前国内外还未形成统一的设计理论... 详细信息

绕管式换热器因其换热性能优势在工业领域中应用广泛,其管板是最重要的承压部件,管板的力学性能及轻量化设计对于设备的生产使用安全及提高经济效益有着重要工程意义。此外,绕管式换热器结构形式独特,目前国内外还未形成统一的设计理论,因此本文采用有限元分析方法并依据相关设计标准,针对绕管式换热器管板的受力特性和优化设计展开研究,主要研究内容及结论如下:(1)在机械载荷作用下分析了管板应力分布,并研究了管板厚度对应力分布的影响。结果表明,在管板径向上弯曲应力强度占主导,而薄膜应力强度较低。管程压力作用下管板中心区域和布管区的管程侧、壳程侧表面分别呈受压、受拉状态,在管板边缘附近受力状态发生改变。壳程压力作用下管板各处受力状态与上述情况相反。随着管板厚度的增大,管板在径向和轴向方向上的受力更加均匀。(2)在热载荷作用下分析了管板温度场和热应力分布,并研究了管板厚度对二者的影响。结果表明,在管板轴向上中心区域温度梯度较低,布管区壳程侧表面附近温度梯度较高,且存在明显的高温度梯度范围(约10mm)。在径向上,薄膜和弯曲应力强度平均值分别为7.33MPa、8.54MPa,整体相近。在轴向上,管板中心区域的径向和周向应力接近线性分布,在布管区呈抛物线分布,管板布管区壳程侧表面附近的热应力及热应力梯度均较高,并且此处的高温度梯度以及布管区与非布管区的温度差异是热应力产生的主要原因。当管程为冷流体时,随着管板厚度的增大,管板中心区域由一侧受压、一侧受拉变为完全受压,管板布管区由一侧受压、一侧受拉变为两侧受压中间受拉,并且管板布管区的高应力梯度范围(约10mm)基本不变,管板上最大应力强度先增大后减小,在管板厚度为35mm时最大应力强度有极大值115.11MPa。(3)在热-机械载荷耦合作用下,计算了管板的整体应力强度分布。结果表明,当管程为冷流体时,相比于管程压力单独作用,管程压力与热载荷耦合作用下管板边缘处两侧表面应力强度升高,布管区和中心区域两侧表面应力强度降低。壳程压力作用的工况在耦合热载荷后,管板的应力强度变化与上述情况相反。(4)对管板强度的影响因素进行了敏感性分析并提出了基于强度安全因子F的管板优化设计方法,对管板厚度进行了优化。结果表明,管板上最大应力强度与管板厚度相关性最高,管板中心处以及管桥处应力强度与管程压力相关性最高。优化前后管板厚度减薄了40%,实现了管板的轻量化设计,并对优化后的管板进行了特征值及非线性屈曲分析,其临界失稳载荷安全系数分别为3.08、1.71,满足稳定性安全要求。

关键词：绕管式换热器管板有限元分析优化设计

大型绕管式换热器气液均布器流体分配特性试验研究

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流体机械 2023年第8期51卷 1-6,48页

作者：张晓慧花亦怀苏清博姜益强中海石油气电集团有限责任公司技术研发中心北京100028 哈尔滨工业大学哈尔滨150001

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... 详细信息

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。

关键词：绕管式换热器气液均布器试验研究壳侧流体分配

绕管式换热器管板的有限元应力分析与结构优化

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化工学报 2018年第A2期69卷 128-134页

作者：陈杰纪博文庄大伟鹿来运张晓慧丁国良中海油气电集团技术研发中心北京100027 上海交通大学机械与动力工程学院上海200240

绕管式换热器广泛应用于大型天然气液化装置,而管板是绕管式换热器的重要组成部件。由于管板处于管程、壳程交界处且布有密集的孔洞,降低了结构强度,使其成为LNG绕管式换热器的相对薄弱部位。利用Ansys有限元计算软件,对LNG绕管式换热... 详细信息

绕管式换热器广泛应用于大型天然气液化装置,而管板是绕管式换热器的重要组成部件。由于管板处于管程、壳程交界处且布有密集的孔洞,降低了结构强度,使其成为LNG绕管式换热器的相对薄弱部位。利用Ansys有限元计算软件,对LNG绕管式换热器管板及其相连的管箱、换热器壳体进行整体建模和多工况下的有限元应力分析,并根据JB4732—1995进行强度校核。计算结果显示,换热器壳体对管箱短节部分的应力有较大影响;实例中换热器外壳的拉伸作用导致短节内侧局部薄膜应力过大,超出许用强度。增加短节厚度可以有效提高管箱强度;通过将原短节厚度由45 mm增加到57.5 mm,解决了局部薄膜应力过大的问题。

关键词：管板绕管式换热器有限元应力分析固体力学设计优化

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绕管式换热器局部结构强度数值模拟计算

能源与节能 2022年第1期 58-60页

作者：张晓慧密晓光鹿来运苏清博中海石油气电集团有限责任公司技术研发中心北京100028

绕管式换热器作为LNG工厂的核心设备,其设备的强度可靠性是影响设备寿命的关键性因素。对运行过程中中心筒的结构强度和管束与管板间连接处的结构强度进行了有限元计算。计算结果表明,中心筒与筒体连接处加厚处理可满足材料强度要求,管... 详细信息

绕管式换热器作为LNG工厂的核心设备,其设备的强度可靠性是影响设备寿命的关键性因素。对运行过程中中心筒的结构强度和管束与管板间连接处的结构强度进行了有限元计算。计算结果表明,中心筒与筒体连接处加厚处理可满足材料强度要求,管束与管板连接处结构强度满足标准要求。

关键词：绕管式换热器有限元结构 LNG

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绕管式换热器壳侧汽化模拟时的液滴粒径研究

石油与天然气化工 2020年第1期49卷 49-56页

作者：吴志勇张安昊国慧敏建伟伟蔡伟华辽宁石油化工大学石油天然气工程学院哈尔滨工业大学能源科学与工程学院

使用ANSYS CFX软件下的欧拉模型对绕管式换热器壳侧乙烷剪切汽化流动进行了数值模拟,对控制方程组中影响相间作用的离散相液滴粒径展开了研究。从能量守恒角度推导出离散液相平均粒子直径公式,通过引入热相变比参数得以简化计算液相平... 详细信息

使用ANSYS CFX软件下的欧拉模型对绕管式换热器壳侧乙烷剪切汽化流动进行了数值模拟,对控制方程组中影响相间作用的离散相液滴粒径展开了研究。从能量守恒角度推导出离散液相平均粒子直径公式,通过引入热相变比参数得以简化计算液相平均粒子直径,实现对壳侧剪切流汽化换热过程准确模拟,换热模拟偏差在±20%范围内。壳侧冷剂入口干度和工作压力是影响热相变比的主要因素,以入口干度和汽相密度为自变量对热相变比进行公式拟合,给出了适用于变工况下的热相变比计算式。

关键词：绕管式换热器剪切流汽化换热平均粒子直径热相变比

运行工况对LNG绕管式换热器壳侧换热特性的影响

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化工学报 2018年第6期69卷 2417-2423页

作者：丁超胡海涛丁国良陈杰密晓光余思聪上海交通大学制冷与低温工程研究所上海200240 中海石油气电集团技术研发中心北京100028

为了明确运行工况对LNG绕管式换热器壳侧换热特性的影响,开展了丙烷介质在壳侧的流动沸腾换热实验研究。干度0.2~1.0,热通量4~10 k W·m^(-2),质流密度40~80 kg·(m^2·s)^(-1)。实验结果表明:随着干度增加,传热系数先增大再减小,在干度... 详细信息

为了明确运行工况对LNG绕管式换热器壳侧换热特性的影响,开展了丙烷介质在壳侧的流动沸腾换热实验研究。干度0.2~1.0,热通量4~10 k W·m^(-2),质流密度40~80 kg·(m^2·s)^(-1)。实验结果表明:随着干度增加,传热系数先增大再减小,在干度0.8~0.9工况下达到最大值;随着热通量增大,传热系数在干度小于0.8的工况下逐渐增大,但是在干度大于0.8的工况下却逐渐减小;随着质流密度的增加,传热系数在低热通量工况下呈增加趋势,而在高热通量工况下呈现出非单调变化。

关键词： LNG 绕管式换热器两相流传热丙烷壳侧