基于天然气液化过程的板翅式换热器内非共沸混合介质冷凝机理及换热强化方法研究

Condensation of non-azeotropie mixture is an important process in the liquefaction of natural gas and many other industry fields. Another common requirement of these industries is the simultaneous heat exchanging of several different fluids. Due to their advantages of compactness and simultaneous heat exchanging ability among several fluids, plate-fin heat exchangers are becoming popular in these fields. However, researches on fin shape and other fundament problems are very few for phase-change plate-fin heat exchange. Study on design and calculation methods for plate-fin heat exchangers handling condensation of non-azeotropie mixture is even fewer..This program will study both theoretically and experimentally the condensation heat transfer mechanism of non-azotropie mixture in plate-fin heat exchangers. Based on these studies, heat transfer enhancement measurements will be determined, and then the liquefaction process of natural gas in plate-fin exchangers will be optimized and tested. Through our work, both the fundamental theories on condensation of non-azotropie mixture in plate-fin heat exchanger and the design and calculation methods of plate-fin heat exchanger for liquefaction of natural gas will be improved.

不同沸点混合介质的冷凝是天然气液化等工业领域的主要工艺过程，这些工艺过程的另外共同点是大多需求多股介质流同时换热。因同时具备方便实现多股流同时换热和紧凑性的特点，板翅式换热器在这些领域的应用正成为趋势。但目前板翅式换热器的翅片形式和有关基础研究针对相变换热工况的较欠缺，更鲜见针对非共沸混合介质冷凝换热的板翅换热面设计和计算依据。.本申请拟开展板翅式换热器内非共沸介质冷凝换热规律的理论和实验研究，提出针对性的强化换热方法，对板翅式换热器应用于天然气液化过程进行优化并进行性能测试。完善板翅式换热器内非共沸介质冷凝换热的理论基础，为板翅式换热器应用于天然气液化过程提供设计和计算依据。

多组分非共沸混合气体的冷凝是天然气液化和混合制冷剂冷凝等工业领域的主要工艺过程。板翅式换热器可以实现多股流同时换热并且具有结构紧凑性的特点，在这些领域的应用正成为趋势。在天然气分级冷凝过程中，各组分（甲烷、乙烷、丙烷等）按照沸点由高到低的顺序依次冷凝，当一种组分冷凝时，其它组分作为不凝结气体而存在。而不凝结气体的存在使得蒸气冷凝传热产生严重恶化，因此探明非共沸混合气体的冷凝流动传热机理，对于强化这一过程的传热特性具有重要指导意义。本项目通过理论分析、数值计算和实验研究的方法，厘清了天然气液化各阶段的混合气体冷凝流动及传热传质特性，并提出了用于强化多组分混合气体冷凝过程的翅片形式。.根据扩散层理论建立了竖直壁面上混合气体的冷凝传热模型，并利用CFD软件进行数值求解，得到了天然气分级冷凝各个阶段的混合气体的冷凝特性。研究发现，丙烷/甲烷、乙烷/甲烷和甲烷/氮气混合气体的平均传热系数，随着入口不凝气体摩尔分数从80％增加到95％，从65％增加到85％以及从2％至14％，分别下降53.4％，58.3％和19.5％，高浓度不凝气体会导致传热系数近似线性下降。在丙烷/甲烷和乙烷/甲烷的冷凝阶段，气相边界层的热阻在液膜热阻的一百倍以上，液膜层的热阻可以忽略不计。根据数值计算结果拟合得到了天然气液化各个阶段的冷凝传热系数的预测关联式，可以作为工程计算的重要依据。根据非共沸混合气体冷凝的主要热阻位置，提出了“微刺”形的强化翅片形式，采用冲压工艺在翅片板上加工孔刺，用以强化含混合气体的冷凝传热过程。与传统的强化措施相比，“微刺”形式可以在不同高度上扰动流体强化不同的热阻环节，小孔可以破坏粘性底层和液膜的稳定性而针刺可以扰动气相边界层从而强化传质过程。“微刺”形的翅片相比于平直翅片、锯齿翅片以及波纹翅片，其综合性能因子分别提高了3.23、3.08和3.09倍。