大型冷箱內換熱器及其配管系統(tǒng)的流體均配與傳熱優(yōu)化研究.pdf

1、大型冷箱是化工換熱工藝中的重大核心設備，可應用于超大型空分、百萬噸級乙烯、大型LNG液化以及大型煤制油等生產裝置。由于面臨裝置大型化與工作條件極端化的發(fā)展趨勢，冷箱內的流體均配與傳熱優(yōu)化已成為其發(fā)展的主要技術瓶頸。在浙江省重大科技專項“大型石化冷箱多相流均配與傳熱優(yōu)化的關鍵技術研究”（項目編號:2010C11020）的資助下，本文主要針對大型冷箱內板翅式換熱器及其配管系統(tǒng)開展流體均配特性與傳熱優(yōu)化研究，探討了不同工況、結構及介質物性對其

2、內流體分布與流阻的影響，研究了板翅式換熱器及其配管系統(tǒng)內工況、流體動力學特性以及傳熱性能之間的相互耦合作用，并分析了流體分配不均對單臺及多臺并聯(lián)換熱器組能耗與換熱效率的影響，最后提出了相應的板翅式換熱器及其配管系統(tǒng)結構優(yōu)化設計方案，旨在提高大型冷箱開發(fā)效率與產品性能，對實際大型冷箱設計、加工及制造具有一定指導意義。本文主要研究內容與創(chuàng)新如下:
　　(1)結合多孔介質理論，構建了基于多孔介質的冷箱換熱器及其配管系統(tǒng)數(shù)值計算模型，通過

3、模擬計算獲得了多孔翅片與板翅式換熱器對應的分布阻力系數(shù)。針對此模型與初步模擬結果，設計并搭建了冷箱換熱器及其配管系統(tǒng)流體分配測試臺，主要創(chuàng)新在于提出了基于多元并測結構的板翅式換熱器兩相分離與測量方法，適用于分析不同工況條件下（如流速、氣液比）對冷箱換熱器及其配管系統(tǒng)內流體分布與流阻的影響。
　　(2)分析了進口雷諾數(shù)、通道翅片及介質粘度對板翅式換熱器內流體分布與流阻特性的影響，并獲得了板翅式換熱器內流體分配不均勻度與壓降、進口雷諾

4、數(shù)的關聯(lián)式，開展了流場與溫度場耦合作用下板翅式換熱器流體分布失穩(wěn)效應研究。研究表明，當介質粘度與溫度間呈負指數(shù)關系且在特定雷諾數(shù)范圍內，由傳熱引起的介質粘度變化將導致板翅式換熱器內流體分布出現(xiàn)失穩(wěn)。在此基礎上，提出了基于通道阻力修正的板翅式換熱器流體均配結構優(yōu)化方案，經模擬結合試驗論證，該方案優(yōu)于傳統(tǒng)在封頭內添加擋板的方法。
　　(3)研究了穩(wěn)態(tài)與瞬態(tài)下多單元并聯(lián)換熱器組的配管系統(tǒng)內流場與壓力場分布特性，分析了板翅式換熱器與支管結

5、構分別對U型與Z型配管內流體分布和流阻的影響，并揭示了配管系統(tǒng)內的流體均配自適應動平衡效應;深入開展了遞增、遞減以及脈動等變工況作用下冷箱配管系統(tǒng)內流體瞬態(tài)動力學特性。在此基礎上，提出了基于動平衡效應及二分法的冷箱配管系統(tǒng)流體均配結構優(yōu)化方案，經論證，提出的改進方案可較大改善配管系統(tǒng)內流體分布，并且不增加運行能耗。
　　(4)構建了流體分配不均對板翅式換熱器工作性能影響的理論模型，并研究了流體分配不均對單臺及多臺并聯(lián)換熱器組傳熱性