低温流体蒸发-中间介质冷凝传热模型与过程强化研究

Intermediate fluid vaporizers (IFVs) have wide potential applications in the re-gasification of cryogenic fluids, especially liquefied natural gas (LNG). Flow and heat transfer analysis is one of the key technologies for IFVs’ design, diagnosis and optimization. With the research background on IFVs and an emphasize on the heat transfer between internal cryogenic fluid vaporization and external intermediate fluid condensation, the research contents of this proposal include: 1) Measurement of local heat transfer coefficients, development of heat transfer correlations and determination of heat transfer limiting step for various intermediate fluids and their phase change conditions, as well as different heat transfer enhancement strategies. 2) Prediction of cryogenic fluid vaporization results, and screening of intermediate fluids and their phase change conditions. 3) Flow and heat transfer simulations using appropriate boundary conditions and computational fluid dynamics (CFD) models under different geometric and operational conditions, aiming for process diagnosis and optimization. The results obtained here will not only give direct guidance for the design, diagnosis and optimization of IFVs, but also provide some reference for other cryogenic and/or phase change heat transfer processes. The proposed investigations are therefore of great significance both theoretically and practically.

低温流体尤其液化天然气的中间介质汽化器是一种具有广泛应用潜力的汽化设备，其设计、诊断和优化的关键技术之一是流动与传热分析。本申请以中间介质汽化器为研究背景，以低温流体管内汽化-中间介质管外冷凝传热过程为主要研究对象，开展不同中间介质及其相变条件、不同传热强化措施下低温流体管内汽化、中间介质管外冷凝局部传热系数的实验测定、传热系数关联模型研究、传热限制步骤分析；开展低温流体汽化效果的预测、中间介质及其相变条件的筛选研究；确定低温流体管内蒸发-中间介质管外冷凝传热过程的边界条件，建立该过程流动与传热分析的计算流体力学模型，开展不同几何结构和操作条件下流动传热规律模拟研究，实现该过程的状态诊断、几何结构和工艺参数优化设计。本项目的预期研究成果不仅可以为中间介质汽化器的设计、诊断和优化提供直接指导，而且可以为其它低温和/或相变传热过程的研究提供参考，具有重要的理论意义和实用价值。

中间介质气化器(IFV)是目前世界范围内基本负荷型LNG接收站的三大主要气化器型式之一，具有对海水水质适应性强、能效高、无结冰结霜问题等优势。本项目对IFV的传热设计技术开展了深入研究，主要内容如下：⑴搭建了超临界流体管内气化、中间介质管外同一密闭空间蒸发冷凝传热的试验平台，开展了低温介质气化效果和局部传热系数试验；⑵提出了用于修正水平冷凝器管束效应的“有效管排深度”概念并推导了其计算方法，提出了低温流体管内气化、中间介质管外冷凝传热系数高精度预测方法，建立了基于分布式参数模型(DPM)的超临界工况IFV传热设计方法，并开发了专用程序；⑶提出了超临界工况IFV中间介质筛选方法，分析了不同条件下低温流体气化效果和传热特性，确定了凝结器传热限制步骤，综合考虑气化效果、热源消耗量、换热面积及中间介质操作压力、安全性和环境影响等因素，对常见可燃烃制冷剂进行了筛选评价；⑷基于流动沸腾传热机理分析和特征分区划分，提出了基于DPM的亚临界工况IFV传热设计方法，开发了专用程序，对比了亚临界和超临界工况IFV工作性能；⑸建立了低温流体管内气化、中间介质管外冷凝传热过程的三维瞬态CFD模型，提出了适宜的边界条件和求解策略，探讨了不同工艺和强化传热条件下的流动与换热规律，对超临界LNG管内气化传热关联式进行了筛选评价，改进了IFV传热设计程序，分析了真实LNG组分差异对IFV操作弹性的影响，实现了凝结器中流动传热过程基于CFD的优化设计和运行诊断。相关研究结果对于IFV及类似低温相变换热器的精细化设计和运行优化具有重要指导作用，可有效减小传热设计冗余度、达到经济性与可靠性并重的目的。