發(fā)布時間：2020-10-28 13:42

　　 在空氣分離和天然氣液化產(chǎn)業(yè)中,目前常用的深冷換熱器主要有繞管式和板翅式兩種,板翅式換熱器憑借單位體積換熱面積大、冷箱總成易模塊化等優(yōu)勢得到越來越廣泛的應(yīng)用。本文采用數(shù)值模擬方法,對板翅式換熱器內(nèi)非共沸混合介質(zhì)冷凝換熱和流動特性進(jìn)行了研究,在數(shù)值研究的基礎(chǔ)上采用多目標(biāo)遺傳算法對鋸齒翅片板翅式換熱器通道幾何參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化。主要工作及結(jié)論如下:基于傳熱傳質(zhì)相似理論,構(gòu)建了層流及湍流狀態(tài)下甲烷——丙烷混合介質(zhì)壁面凝結(jié)模型,對平直翅片、鋸齒翅片、波紋翅片板翅式換熱器通道內(nèi)混合介質(zhì)冷凝換熱流動機(jī)理進(jìn)行了數(shù)值仿真分析。三種類型翅片通道Re數(shù)(約為330左右)一致時,對比分析了不同翅片通道內(nèi)丙烷冷凝過程中不凝介質(zhì)甲烷的聚集狀態(tài)以及傳熱因子j、阻力因子f和綜合性能因子FTEF的變化。發(fā)現(xiàn)相對于平直翅片與波紋翅片,鋸齒翅片的傳熱因子j分別增加了20.65%和12.25%,阻力因子增加了57.07%和40.38%,綜合性能因子FTEF增加了3.79%和0.25%,說明鋸齒翅片在天然氣非共沸混合組分(高沸點介質(zhì)摩爾分?jǐn)?shù)含量為5%)冷凝換熱過程中有著更好的綜合性能。形成這一現(xiàn)象的主要原因是:隨著甲烷丙烷混合介質(zhì)冷凝過程的進(jìn)行平直翅片表面會形成穩(wěn)定增長的甲烷氣膜層;波紋翅片通過改變介質(zhì)流向減薄了迎風(fēng)側(cè)氣膜層,但是背風(fēng)側(cè)不凝氣體甲烷積累更快;鋸齒翅片由于翅片“鋸齒形”錯開間斷分布導(dǎo)致了流體周期性分流和對間斷翅片前端的沖刷,有效破壞和抑制了氣膜層的發(fā)展,獲得了比較明顯的傳熱性能改善。在發(fā)現(xiàn)鋸齒翅片用于天然氣輕烴回收過程有著更好綜合性能的基礎(chǔ)上,采用控制變量法研究了鋸齒翅片結(jié)構(gòu)參數(shù)(翅片高度、翅片間距、翅片長度、翅片厚度以及翅片錯開比)的變化對混合介質(zhì)冷凝換熱和流動特性的影響。可以得到:在通道Re=600時,翅片高度h=7.1mm、翅片間距s=2.2mm、翅片長度1=3mm、翅片厚度t=0.2mm、翅片錯開比s0=0.4時,鋸齒翅片綜合性能最佳;在通道Re=2000時,翅片高度h=4.9mm、翅片間距s=1.8mm、翅片長度1=3mm、翅片厚度t=0.35mm、翅片錯開比s0=0.4時,鋸齒翅片綜合性能最佳。借助響應(yīng)面設(shè)計方法對鋸齒翅片結(jié)構(gòu)參數(shù)量化,目標(biāo)參數(shù)j因子、f因子和FTEF因子函數(shù)化,選用合適的響應(yīng)面模型對他們的關(guān)系近似處理后,采用多目標(biāo)遺傳算法(MOGA)對鋸齒翅片結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化。結(jié)果表明j因子對翅片長度的變化最敏感,f因子對翅片厚度的變化最敏感,FTEF因子對翅片錯開比的變化最敏感;翅片間距與翅片厚度的相互作用對j因子和f因子的影響最大,翅片錯開比和翅片厚度的相互作用對FTEF因子的影響最大;優(yōu)化結(jié)構(gòu)相對于常用結(jié)構(gòu)(47JC2003)j因子提高了 25%,f因子提高了 23.9%,FTEF因子提高了16.1%。
【學(xué)位單位】：山東大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位年份】：2019
【中圖分類】：TK172;TK124
【部分圖文】：

不同程度的含有Ｈ２Ｓ、Ｃ０２、水分、重?zé)N和汞等雜質(zhì)。原料氣必須先??預(yù)處理脫除這些雜質(zhì)防止他們凍結(jié)堵塞管道和設(shè)備，然后進(jìn)入液化單元加工為商??品氣，圖１－１為油氣田生產(chǎn)的天然氣經(jīng)過預(yù)處理和加工單元成為商品氣的流程。??Ｃ〇２?｜?？??空?硫??｜?｜?橫??，棚收?？?｜＿？商品天然氣??酸氣??穩(wěn)定輕??〇２、Ｃ３、Ｃ４、〇５??”?ｑ?分餾??液固雜質(zhì)?取??圖ｉ－ｉ天然氣處理總流程圖??乙烯產(chǎn)業(yè)是中國石化產(chǎn)業(yè)的基礎(chǔ)，制約乙烯產(chǎn)業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵因素是原料短缺，??而天然氣液化過程中回收的乙烷和丙烷等輕烴可以作為乙烯裂解原料［４］。目前常??用的輕烴回收方法有低溫分離法、油吸收法和吸附法，其中低溫分離法因為回收??效率高、生產(chǎn)成本低最為常用［６］。低溫分離法主要是依據(jù)不同的經(jīng)類有不同的冷??凝溫度，原料氣在逐漸冷卻過程中不同種類的輕烴會逐漸分離出來［６］。??目前能實現(xiàn)多股流體同時換熱的深冷換熱器主要有繞管式換熱器和板翅式??換熱器兩種。繞管式換熱器為管殼結(jié)構(gòu)，承壓能力高，但是在天然氣處理過程中??１??

（ａ）繞管式換熱器?（ｂ）板翅式換熱器??圖１－２繞管式換熱器和板翅式換熱器示意圖??翅片承擔(dān)著板翅式換熱器內(nèi)大部分熱量交換，是最基本的元件之一：平直翅??片的主要作用是增加二次換熱面積；鋸齒翅片和波紋翅片在增加換熱面積的同時??通過促進(jìn)流體湍流，破壞翅片表面的熱邊界層來達(dá)到強(qiáng)化換熱目的［９］。但是這些??翅片形式及相對應(yīng)的換熱機(jī)理主要是針對單相介質(zhì)。天然氣液化過程中的主要換??熱形式為非共沸混合介質(zhì)冷凝換熱，從己有文獻(xiàn)看，板翅式換熱器內(nèi)相變換熱特??征機(jī)理研究相對欠缺，非共沸混合介質(zhì)冷凝換熱的規(guī)律及強(qiáng)化方法的報道更為少??見。應(yīng)針對板翅式換熱器內(nèi)非共沸混合介質(zhì)冷凝機(jī)理開展研究，為板翅式換熱器??的優(yōu)化和設(shè)計奠定基礎(chǔ)。??２??

圖２－１?Ｃｏｌｌｂｕｍ－Ｈｏｕｇｅｎ模型不意圖??１－管壁；２－凝結(jié)液邊界層；３－氣膜層??因此混合物冷凝換熱的換熱量也就是穿過氣膜層和液膜層的熱量，如圖２－２??所示，其中氣膜層內(nèi)的能量傳遞分為兩部分：一部分是混合物的純對流換熱量??另一部分是高沸點介質(zhì)對流傳質(zhì)及凝結(jié)放熱量即??＋?９嫌?（２－１）??＾ｃｏｎｄ＾＾ｃｏｎｄＨ?（?２＿２?）??式中：——凝結(jié)率；??Ｈ——高沸點介質(zhì)相變潛熱。??１０??
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本文編號：2860164