超临界甲烷/氢混合工质冷却换热特性研究

【摘要】：超临界甲烷/氢混合工质的冷却换热是煤制天然气液化的关键换热过程。通过研究其冷却换热特性，可以为煤制天然气液化流程和低温换热器的设计提供理论基础。本文首先运用FLUENT数值模拟了超临界甲烷和甲烷/氢混合工质在水平圆管内的冷却换热，采用标准k-ε湍流模型，分析工质的质量流量、施加的热流密度、工质的入口压力以及工质中氢气的含量对流动换热的影响。结果表明，局部对流换热系数随工质质量流量的增大而增大，随施加热流密度变化不明显，随工质入口压力的增大而减小；氢气含量增大，换热系数峰值所对应的温度下降。 本文设计并搭建了超临界甲烷/氢混合工质冷却换热实验系统。说明了实验系统的设计原则，介绍了实验系统的基本情况，包括系统中工质的流动、管件与设备、预冷段与换热测试段，描述了数据测量与采集系统，阐述了实验内容、实验步骤，并给出了具体的实验数据处理方法以及实验结果分析方法。 根据实验获得的数据，研究超临界甲烷/氢混合工质在不同的入口压力、质量流量以及氢气含量的流动换热特性。对比分析可以发现，实验研究得到的结果与数值模拟得到的结果趋势一致。在准临界区附近，对流换热系数均增大至某个峰值后减小，说明准临界点物性的变化是影响流动换热的主要因素。结合实验数据，采用量纲分析法，得到甲烷/氢混合工质的冷却换热关联式。 【关键词】：甲烷/氢混合工质 超临界 流动换热 数值模拟
【学位授予单位】：上海交通大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：TE665.3
【目录】：

• 摘要6-8
• ABSTRACT8-12
• 符号说明12-14
• 图录14-16
• 表录16-17
• 第一章 绪论17-29
• 1.1 研究背景和意义17-18
• 1.2 超临界流体流动换热的实验研究18-26
• 1.2.1 超临界流体18-20
• 1.2.2 流体流动换热实验系统20-24
• 1.2.3 超临界流体的流动换热24-26
• 1.3 超临界流体流动换热的数值模拟研究26-28
• 1.4 本文研究内容28-29
• 第二章 超临界甲烷及含氢甲烷冷却换热的数值模拟29-45
• 2.1 数值模拟29-32
• 2.1.1 模型与网格29-30
• 2.1.2 流体物性30
• 2.1.3 控制方程30-31
• 2.1.4 湍流模型31
• 2.1.5 边界条件31-32
• 2.1.6 计算方法32
• 2.2 计算结果及分析32-43
• 2.2.1 壁面温度及密度分析33-35
• 2.2.2 质量流量对水平圆管内超临界甲烷冷却换热的影响35-36
• 2.2.3 热流密度对水平圆管内超临界甲烷冷却换热的影响36-37
• 2.2.4 甲烷入口压力水平圆管内超临界甲烷冷却换热的影响37-40
• 2.2.5 氢气含量对水平圆管内超临界含氢甲烷冷却换热的影响40-43
• 2.3 本章小结43-45
• 第三章 超临界 SNG 冷却传热实验台45-54
• 3.1 超临界 SNG 冷却换热实验系统45-46
• 3.2 管路与阀46-47
• 3.3 增压装置47-48
• 3.4 缓冲罐、液氮容器48-49
• 3.5 预冷段和测试段49-51
• 3.6 数据测量51-52
• 3.7 数据采集52
• 3.8 本章小结52-54
• 第四章 超临界 SNG 冷却换热实验研究54-71
• 4.1 实验步骤及注意事项54-55
• 4.1.1 前期准备54
• 4.1.2 实验步骤54-55
• 4.1.3 实验结束55
• 4.2 实验数据处理55-56
• 4.3 实验不确定度分析56-57
• 4.4 实验结果与分析57-66
• 4.4.1 工质入口压力对超临界含氢甲烷冷却换热的影响57-59
• 4.4.2 工质流量对超临界甲烷-氢混合物对流换热的影响59-61
• 4.4.3 氢气含量对超临界甲烷-氢混合物对流换热的影响61-63
• 4.4.4 流动加速对超临界甲烷-氢混合物对流换热的影响63-66
• 4.5 实验结果与模拟结果的对比分析66-69
• 4.6 超临界 SNG 冷却换热关联式69-70
• 4.7 本章小结70-71
• 第五章 总结与展望71-74
• 5.1 主要工作与结论71-73
• 5.2 后续工作研究73-74
• 参考文献74-77
• 致谢77-78
• 攻读学位期间的学术成果78

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