一种太阳能集热器在液化天然气中的应用研究

【摘要】：随着我国社会的不断发展,大量引进LNG将对优化我国的能源结构发挥重要作用,与LNG有关的专用贮存设备和气化设备的研究也己成为学术界的热点。LNG接受站气化器类型较多,但是利用太阳能来直接气化LNG的研究比较少。与传统的气化器相比,U型管式全玻璃真空管太阳能气化器有着许多优点,像结构轻巧,拆装方便,适用于用气量小的场合；但也有其特殊性,例如全玻璃真空管对太阳能辐射强度的吸收率以及热效率,U型管的结构布置,U型管内存在着液气相变的动平衡过程,以及出口处的气化率等。为了实现合理设计,需要对U型管内气化过程的流体流动及传热规律进行分析,探讨更为合理的结构和操作参数,给工程实际应用提供参考依据。 本文首先建立了U型管太阳能集热器性能的理论模型,使用热阻图来确定集热管的热效率方程,集热器的总热损系数和效率因子,提出了U形管中的相变现象和强制对流换热沸腾现象中可能存在的流型,以及换热系数的改变对气化过程的影响。 分析了太阳能气化器中U形管内流体的流动与传热过程,建立了多相流流动的数学模型,确定流体的物性参数及边界条件,以及相变的UDF程序,为下一步的数值计算提供了依据。 通过对U型太阳能真空管进行气化数值模拟,分析了气化器管程流体流动与换热状况,对影响U型管太阳能气化器的结构和操作参数方面进行了讨论,描述了U型管内流体的气液分布和流动情况,获得了影响气化率的因素。 通过对整个气化系统的综合分析,完善了LNG从气化到气体的加热过程,最终获得常温下的天然气供用户使用。在模型计算的过程中,采用变物性参数的方法考虑浮升力的影响。最后,分析了其经济和环保效益。 【关键词】：U型管式集热器 太阳能 气化 传热 数值模拟
【学位授予单位】：东北大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2011
【分类号】：TE626.7
【目录】：

• 摘要5-6
• Abstract6-11
• 第1章 绪论11-23
• 1.1 引言11-12
• 1.2 几种真空管太阳能集热器简介12-15
• 1.2.1 全玻璃真空管太阳能集热器13
• 1.2.2 金属—玻璃结构真空管型太阳集热器13-14
• 1.2.3 热管真空管太阳能集热器14
• 1.2.4 U型管式全玻璃真空管集热器14-15
• 1.3 LNG储配站15-17
• 1.3.1 LNG储配站工艺流程15
• 1.3.2 储配站各装置的作用15-17
• 1.4 LNG气化器17-20
• 1.4.1 气化器类型17
• 1.4.2 常见气化器介绍17-20
• 1.5 效益简单比较20
• 1.6 本课题的主要研究工作20-23
• 第2章 U型管太阳能集热器的结构及特点23-33
• 2.1 U型管全玻璃太阳能集热器的结构23-24
• 2.2 U型管集热器传热分析24-27
• 2.2.1 集热器热效率方程的建立24-26
• 2.2.2 集热器的总热损系数26
• 2.2.3 集热器的效率因子26-27
• 2.3 管道中的相变现象理论27-31
• 2.3.1 气液物理性质及决定因素比较27-28
• 2.3.2 管内气液两相流的基本方程式28-30
• 2.3.3 U型管中的气液两相流流型30-31
• 2.4 受热管中的强制对流沸腾换热31-32
• 2.5 本章小结32-33
• 第3章 U型管建模及数值方法33-45
• 3.1 FLUENT的简介33-34
• 3.2 基本守恒方程34
• 3.3 湍流流动模型34-35
• 3.4 多相流模型35-37
• 3.4.1 多相流模型简介35-36
• 3.4.2 多相流模型的选取36-37
• 3.5 几何建模和网格划分37-38
• 3.6 流体参数设置38-40
• 3.6.1 对流换热系数38-39
• 3.6.2 流体的物性参数39-40
• 3.7 边界条件的设定40-41
• 3.8 LNG气化的UDF函数41-43
• 3.9 U形管中的数值求解方法43
• 3.10 本章小结43-45
• 第4章 U型管集热器的模拟结果及分析45-63
• 4.1 单根U形管模拟结果分析45-50
• 4.1.1 U型管中流场的分布45-46
• 4.1.2 压力的分布46-47
• 4.1.3 温度场的分布47-49
• 4.1.4 气相组分的分布49-50
• 4.2 U型管模拟结果对比分析50-57
• 4.2.1 入流速度对LNG气化过程的影响50-52
• 4.2.2 太阳辐射度对LNG气化的影响52-54
• 4.2.3 U型管的长度对LNG气化的影响54-56
• 4.2.4 U型管的内径对LNG气化的影响56-57
• 4.3 U型管模拟结果现象的理论分析57-58
• 4.4 U型管集热器的优化分析58-61
• 4.5 本章小结61-63
• 第5章 太阳能综合气化系统63-75
• 5.1 集热器的倾角确定63-64
• 5.2 太阳能气化系统64-67
• 5.2.1 太阳能集热器方式的布置64-65
• 5.2.2 U型管太阳能气化器系统组成65
• 5.2.3 太阳能气化器系统工作流程65-67
• 5.3 U型管太阳能集热器的天然气升温过程模拟67-68
• 5.3.1 计算模型的选取67-68
• 5.3.2 流动和热边界条件68
• 5.3.3 求解条件的设置68
• 5.4 计算后处理分析68-70
• 5.4.1 U型太阳能管温度的分析68-70
• 5.4.2 U型太阳能管速度的分析70
• 5.5 太阳能气化系统的经济和节能效益分析70-73
• 5.5.1 太阳能气化系统的年节能量71
• 5.5.2 太阳能气化系统的年节能费用71-72
• 5.5.3 太阳能气化系统的环保效益评估72-73
• 5.5.4 实例计算73
• 5.6 本章小结73-75
• 第6章 结论与展望75-77
• 6.1 结论75-76
• 6.2 展望76-77
• 参考文献77-81
• 致谢81-83
• 附录83-85

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