大型冷箱內(nèi)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(shè)備，可應(yīng)用于超大型空分、百萬(wàn)噸級(jí)乙烯、大型LNG液化以及大型煤制油等生產(chǎn)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(shì)，冷箱內(nèi)的流體均配與傳熱優(yōu)化已成為其發(fā)展的主要技術(shù)瓶頸。在浙江省重大科技專項(xiàng)“大型石化冷箱多相流均配與傳熱優(yōu)化的關(guān)鍵技術(shù)研究”（項(xiàng)目編號(hào):2010C11020）的資助下，本文主要針對(duì)大型冷箱內(nèi)板翅式換熱器及其配管系統(tǒng)開(kāi)展流體均配特性與傳熱優(yōu)化研究，探討了不同工況、結(jié)構(gòu)及介質(zhì)物性對(duì)其

2、內(nèi)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(nèi)工況、流體動(dòng)力學(xué)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(duì)單臺(tái)及多臺(tái)并聯(lián)換熱器組能耗與換熱效率的影響，最后提出了相應(yīng)的板翅式換熱器及其配管系統(tǒng)結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，旨在提高大型冷箱開(kāi)發(fā)效率與產(chǎn)品性能，對(duì)實(shí)際大型冷箱設(shè)計(jì)、加工及制造具有一定指導(dǎo)意義。本文主要研究?jī)?nèi)容與創(chuàng)新如下:
　　(1)結(jié)合多孔介質(zhì)理論，構(gòu)建了基于多孔介質(zhì)的冷箱換熱器及其配管系統(tǒng)數(shù)值計(jì)算模型，通過(guò)

3、模擬計(jì)算獲得了多孔翅片與板翅式換熱器對(duì)應(yīng)的分布阻力系數(shù)。針對(duì)此模型與初步模擬結(jié)果，設(shè)計(jì)并搭建了冷箱換熱器及其配管系統(tǒng)流體分配測(cè)試臺(tái)，主要?jiǎng)?chuàng)新在于提出了基于多元并測(cè)結(jié)構(gòu)的板翅式換熱器兩相分離與測(cè)量方法，適用于分析不同工況條件下（如流速、氣液比）對(duì)冷箱換熱器及其配管系統(tǒng)內(nèi)流體分布與流阻的影響。
　　(2)分析了進(jìn)口雷諾數(shù)、通道翅片及介質(zhì)粘度對(duì)板翅式換熱器內(nèi)流體分布與流阻特性的影響，并獲得了板翅式換熱器內(nèi)流體分配不均勻度與壓降、進(jìn)口雷諾

4、數(shù)的關(guān)聯(lián)式，開(kāi)展了流場(chǎng)與溫度場(chǎng)耦合作用下板翅式換熱器流體分布失穩(wěn)效應(yīng)研究。研究表明，當(dāng)介質(zhì)粘度與溫度間呈負(fù)指數(shù)關(guān)系且在特定雷諾數(shù)范圍內(nèi)，由傳熱引起的介質(zhì)粘度變化將導(dǎo)致板翅式換熱器內(nèi)流體分布出現(xiàn)失穩(wěn)。在此基礎(chǔ)上，提出了基于通道阻力修正的板翅式換熱器流體均配結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案，經(jīng)模擬結(jié)合試驗(yàn)論證，該方案優(yōu)于傳統(tǒng)在封頭內(nèi)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(nèi)流場(chǎng)與壓力場(chǎng)分布特性，分析了板翅式換熱器與支管結(jié)

5、構(gòu)分別對(duì)U型與Z型配管內(nèi)流體分布和流阻的影響，并揭示了配管系統(tǒng)內(nèi)的流體均配自適應(yīng)動(dòng)平衡效應(yīng);深入開(kāi)展了遞增、遞減以及脈動(dòng)等變工況作用下冷箱配管系統(tǒng)內(nèi)流體瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)特性。在此基礎(chǔ)上，提出了基于動(dòng)平衡效應(yīng)及二分法的冷箱配管系統(tǒng)流體均配結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案，經(jīng)論證，提出的改進(jìn)方案可較大改善配管系統(tǒng)內(nèi)流體分布，并且不增加運(yùn)行能耗。
　　(4)構(gòu)建了流體分配不均對(duì)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(duì)單臺(tái)及多臺(tái)并聯(lián)換熱器組傳熱性