浮式天然气液化过程中低温冷剂降膜流动与传热特性研究

Falling film evaporation is a dominant heat transfer technology used for liquefied natural gas. It is important to reveal both the flow and heat transfer mechanism under sloshing motion condition for designing and optimizing cryogenic falling film evaporator. In this project, theoretical analysis, computer simulation and experiment measurement are combined to conduct the research. Flow visualization experiment would be conducted to study the effect of cocurrent gas flow and sloshing motion on the liquid film distribution and flow pattern for cryogenic refrigerator. The flow mode transition correlation could be established by considering the both effects, and the influence mechanism of sloshing motion condition will be indicated. By modeling the sloshing motion in a floating system, a transient CFD simulation under sloshing condition will be achieved by combining both the moving grid approach and two-phase flow model. Base on the verified numerical model, the operating parameters, distributer design and tube bundle arrangement will be optimized to guide the evaporator design in floating system. Further, cryogenic experiments will be conducted to investigate the heat transfer performance of refrigerator under real liquefied condition. The effect mechanism of flow mode on heat transfer will be explored，and the operating boundary of heat exchanger under sloshing condition will be defined. This project can provide important both theory support for the designing and operating falling film heat exchanger.

降膜蒸发是液化天然气过程中主低温换热器的核心传热方式，揭示海上晃荡条件下的降膜流动和换热机理是进行低温换热器设计和优化的关键。本项目采用理论分析、数值模拟和实验研究相结合的方法。针对低温冷剂，通过可视化实验，研究同向气流和晃荡对液膜均布和流型转变的影响，建立晃荡条件下流型判定模型，揭示晃动对降膜流动的作用机制。通过对海上晃荡运动的数学建模，结合动网格技术和两相流模型，实现晃荡条件下降膜流动的CFD瞬态模拟，在验证模型的基础上，优化换热器运行参数、指导分配器抗晃动设计和管排布置。通过低温换热实验，研究低温冷剂在实际液化条件下的换热特性，结合流型研究，揭示流型对换热的影响机制，界定晃荡条件下换热器安全运行的边界。研究将为海上晃荡条件下降膜式换热器的设计和运行提供基础理论支持。

水平管外降膜蒸发是一种高效相变传热技术，研究非稳定条件下降膜流动和换热机理，对于指导浮式降膜换热器的设计和运行具有重要意义。本研究围绕天然气液化核心换热过程在关键海况影响下的流动和换热问题，拟从晃荡对降膜流动流型演化机理影响、晃荡对换热器换热和压降性能影响、换热器性能变化对整体液化工艺的影响这三个层次开展工作。.首先，搭建了降膜流动可视化实验装置，采用戊烷为工质，进行了静态和晃荡条件下低温冷剂的降膜流动实验，同时进行了降膜流动的数值模拟研究。测量了流型转变的临界Re数和液膜分布，得到了小管径、小间距下不同管型换热管的流型演化规律。研究发现，增加管间距流型转变的临界Re增大，有利于提高流型稳定性；提高流量，仅增加了液膜波峰区的轴向长度而不改变液膜厚度；在晃荡条件下，圆管下半周液膜分布会恶化，进而换热效果被削弱，工程中可通过改变换热管下半周设计提高抗晃荡性能；选取了不同管型进行了研究，验证了波纹管抗晃荡的有效性。.其次，完善了以降膜换热器为主低温换热器的双混合制冷剂（DMR）液化工艺实验装置，基于六自由度晃荡平台，进行了绕管式换热器在静态和晃荡条件下的换热和压降性能测试实验，比选得到适合于降膜换热器的换热关联式，修正了压降关联式。编写了多股流换热器的降膜蒸发计算程序，得到了晃荡对降膜换热和压降性能的影响规律。研究发现，晃荡会引起换热器内部压力波动，引起换热性能下降；晃荡条件下换热性能呈现周期性波动，波动幅度受晃荡倾角影响显著；明确了影响换热器性能的最显著的晃荡形式，即纵摇加垂荡的复合晃荡；模拟研究了静止和晃荡条件下不同管型的换热特性，晃荡条件下，相比圆管，椭圆管和蛋形管的换热性能改善了10~20%。.再次，建立了HYSYS动态仿真模型，将实验和模拟得到的换热性能数据引入仿真模型，分析了得到降膜换热器倾斜晃动对整体液化工艺的影响，研究表明，倾斜6度和9度条件下，DMR工艺比功耗均升高了约10%。