液化天然气管内两相流动与传热特性研究

【摘要】：当前天然气液化技术与液化天然气的汽化技术受到越来越多的关注,而液化天然气的管内流动沸腾传热在这些技术发展中扮演着重要角色。准确掌握液化天然气管内流动沸腾传热与压降特性,对相关液化天然气换热设备的设计与制造是至关重要的。为此,本文设计搭建了低温流动沸腾传热实验台,对液化天然气在竖直上升和水平管内的流动沸腾传热和压降特性进行了实验与理论研究。两相压降的实验表明,液化天然气两相摩擦压降随质量流量的增加和干度的增加,是增大的;热流密度的改变对液化天然气两相摩擦压降的影响较弱;进口压力对其两相摩擦压降有一定影响,随着进口压力的增加,两相摩擦压降减少,此外,随进口压力的增加,压力对摩擦压降的影响有减弱的趋势;水平或竖直朝向的变化,对液化天然气的管内摩擦压降无明显影响;液化天然气摩擦压降随管径的增加而减少。基于对7种典型两相摩擦压降预估模型与实验值的比较结果,根据Xu and fang(2012)开发了新的两相摩擦压降模型。新模型能在多数工况条件下对液化天然气两相摩擦压降提供好的评估准确度。对液化天然气流动沸腾传热特性的实验表明,其传热主要受热流密度、干度、质量流量和管道朝向的影响。在干度较低时,传热系数一般随热流密度的增加而增大,但高干度下,热流密度对传热的影响逐渐减弱。并且在质量流量较高,干度较大时,传热系数不受热流密度的影响。在较高质量流量工况下,传热系数在干度较低时,随干度增加而增加,但在干度高于约0.5时就开始逐渐下降,分析表明这主要是由于混合物传质阻力的影响造成的。同时,质量流量对液化天然气管内传热系数的影响很大,随着质量流量的提高,液化天然气的传热是增加的。竖直向上管内液化天然气流动沸腾传热系数一般要高于水平管内的传热系数,但两者的传热特性基本一致。评估了质扩散阻抗对液化天然气流动沸腾传热的影响,发现质扩散阻抗不仅较大地影响了液化天然气流动沸腾过程中的核态沸腾部分,也极大地影响了对流蒸发部分。因此,基于Choi et al.(2000)提出新的混合物流动沸腾模型,并选择Thome and Shakir修正因子和Choi et al.(2000)修正因子对对流蒸发与核态沸腾分别修正。新模型能正确预测液化天然气管内流动沸腾传热的变化趋势,对实验值评估准确,其平均绝对偏差和均方根偏差分别达到10.27%和13.17%。 【关键词】：传热 流动沸腾 混合物 液化天然气
【学位授予单位】：上海交通大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：TE832;TK124
【目录】：

• 上海交通大学 博±学位论文答辩决化书5-6
• 摘要6-8
• Abstract8-13
• 符号说明13-14
• 1 绪论14-30
• 1.1 课题背景及意义14-15
• 1.2 课题研究现状15-28
• 1.2.1 流动沸腾传热理论研究15-22
• 1.2.2 LNG及其他烷烃类工质流动沸腾传热研究现状22-23
• 1.2.3 两相流动压降研究概况23-28
• 1.3 本文的主要工作28-30
• 2 液化天然气管内流动沸腾实验系统30-42
• 2.1 实验系统30
• 2.2 实验装置30-34
• 2.2.1 实验段30-33
• 2.2.2 加热系统33
• 2.2.3 压力测试系统33
• 2.2.4 液化天然气流量测试33
• 2.2.5 数据采集33-34
• 2.3 测试段受外部环境影响评估34-35
• 2.4 实验方法35-36
• 2.4.1 实验步骤35
• 2.4.2 实验难点35-36
• 2.5 实验测量工况36
• 2.6 实验数据的处理36-37
• 2.7 实验系统不确定度分析37-40
• 2.7.1 直接测量参数的不确定度38-39
• 2.7.2 间接测量参数的不确定度39-40
• 2.8 小结40-42
• 3 流动沸腾阻力特性42-80
• 3.1 两相流动压降理论42-43
• 3.2 压降实验数据处理方法43-44
• 3.3 液化天然气管内摩擦阻力压降分析44-50
• 3.3.1 质量流量与干度的影响44-46
• 3.3.2 热流密度的影响46-47
• 3.3.3 进口压力的影响47-49
• 3.3.4 朝向的影响49
• 3.3.5 管径的影响49-50
• 3.4 液化天然气管内两相摩擦压降与现有摩擦压降关联式比较50-74
• 3.4.1 现有摩擦压降关联式51-54
• 3.4.2 压降预估模型与实验值的比较54-72
• 3.4.3 现有两相压降模型评估小结72-74
• 3.5 新的两相摩擦压降模型74-78
• 3.5.1 新的两相压降模型的提出74-75
• 3.5.2 新两相压降模型对实验值的评估75-78
• 3.5.3 小结78
• 3.6 本章小结78-80
• 4 液化天然气管内饱和流动沸腾传热80-106
• 4.1 水平管内液化天然气管内流动沸腾传热特性80-88
• 4.1.1 热流密度与干度的影响80-84
• 4.1.2 进口压力的影响84-85
• 4.1.3 质量流量的影响85-87
• 4.1.4 管径的影响87-88
• 4.2 竖直向上管道内液化天然气流动沸腾传热特性88-93
• 4.3 液化天然气管内流动沸腾传热与混合物流动沸腾预估关联式的比较93-104
• 4.3.1 混合物流动沸腾预估模型93-95
• 4.3.2 预估模型与液化天然气流动沸腾实验值比较95-104
• 4.3.3 预估模型评估小结104
• 4.4 本章小结104-106
• 5 液化天然气管内流动沸腾中质扩散影响及新流动沸腾传热模型106-126
• 5.1 混合物流动沸腾质扩散对传热的影响106-108
• 5.2 质扩散阻抗对液化天然气流动沸腾传热的影响108-111
• 5.3 液化天然气管内流动沸腾传热模型发展111-125
• 5.3.1 混合物流动沸腾模型研究方法及相关评估111-120
• 5.3.2 液化天然气流动沸腾传热模型及其评估120-125
• 5.4 本章小结125-126
• 6 结论与展望126-129
• 参考文献129-136
• 致谢136-137
• 攻读博士学位期间已发表或录用的论文137

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