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大型LNG换热器结构设计及换热性能模拟

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34石油与天然气化工CHEMICAL ENGINEERING OF OIL & GAS 2017大型LNG 换热器结构设计及换热性能模拟李秋英陈杰尹全森中海石油气电集团有限责任公司摘要板翅式换热器目前广泛应用于中小型天然气液化工厂，当其应用于大型天然气液化领域时，由于需要多个冷箱及板翅式换热器并联进行作业，由此带来的流体均布问题较难解决，进而导致换 热性能显著下降，这一因素制约了板翅式换热器的大型化应用进程。

对现有板翅式换热器结构进行了 优化设计，开发出一种新型板翅式换热器换热结构，并对其换热性能进行模拟计算，结果表明，新型板翅 式换热器在天然气处理规模较大时，具有较好的换热性能，该研究结果可为大型板翅式换热器结构设计 提供参考。

关键词板翅式换热器大型天然气液化均布性能换热性能中图分类号：丁E965文献标志码：ADOI ： 10. 3969/j. issn. 1007-3426. 2017. 01. 007天然气及其凝液的利用Structure design and heat transfer performance simulation forheat exchanger in large scale LNG plantL i Qiuying, Chen J i e , Y in QuansenC.NOOC. G as and. P o w e r G r o u p ，B e i j i n g ，C h in aA b stract ： Plate fin heat exchanger has been widely used in medium and small sized LN G plant.However, in large scale LN G plant, the fluid uniform problems are difficult to be resolved for the plate fin heat exchanger because multiples of cold boxes are uesd and plat pin heat exchangers are connected in parallel which results in significant degradation of heat transfer performance. The fluid uniform problems are the key restriction factors of application process for plate fin heat exchanger in large scale LN G plant. In this paper, a new type of heat transfer structure is developed by means of optimization design for existing plate fin heat exchanger. T he heat performance is simulated and the results reveal that the new type heat exchangers maintain good heat performance with the natural gas treated in large scale. T h e study results can provide a reference for the structure design in large scale LN G plant.Key w ords ： plate fin heat exchanger, large scale natural gas liquefaction, uniform performance,heat transfer performance天然气液化过程中采用的关键设备之一是换热 器[1]。

铝制板翅式换热器[2]结构紧凑轻巧，传热效率 高，适应性强，可同时进行多种介质换热，且具有良好 的低温性能，目前已规模化应用于中小型天然气液化工厂關。

板翅式换热器芯体结构如图1所示，运行过程中， 天然气和热流冷剂(A 和C )从换热器芯体上部自上而 下流动，而冷流冷剂(B 和D )从换热器芯体底部自下基金项目：国家高技术研究发展计划（863计划）“海上天然气液化存储关键技术研究”C 2C )13A A ()9A 216h 作者简介：李秋英（1980 — )，女，工程师，博士E -m a il :liq y l 8@cnooc . com .cn第41:卷第i_麗李奪荚:等大型:LM&换热器结构儀计及换热性篚模拟而上返流为天然气和热流冷剂提供冷量由于冷流冷剂为两相流体，流动过程中存在气液两相夹带不 均匀现象，严童影响流道内各种介质间的换热，而且工 况改变时容晷导致气相难以夹带液相，从而使换热器 底部积液，影响设备IE常运行[7S]。

当应用于大型天然 气液化工:厂时，由'f1潘要多个冷箱及换热器并联，流体 在冷箱并联管路、换热器芯体封头以及内置1的注液封 条处的均布性能下降，而且上述关键部位的流体均布 性能逐级影响，致使整个板翅式换热器内流体的均布 性能严霉下降。

所以在大型天然气液化领域，板翅式. 换热器的竞争优势不明显。

为提升板翅式换热器在大型天然气液化领域的竞 争力。

需要对板翅式换热器结构进行优化设计，在处理 规模增大时4亥结构仍能保持较高的换热器效率6剂流道内*与介质A和B换热。

冷剂盛装宁外部壳 体，壳体内板翅式换热器芯体浸泡个数可根据液化规 模进行设董》可应用于大型天然气液化领域。

壳体上 部开有?令剂人口》直接通过上游管道向壳体内充装冷 剂，确保每个换热器芯体内冷剂液面相同。

诙结构的 俯视匿如图:3所示。

天然气和热流冷剂的流动方式与 现有结构相词，自上而下流经封闭的板翅式换热器芯 体，而优化的结构减少了冷流冷剂的上、，下封头结构，采用将冷流冷泡于板翅式换热器流道内的设计理念，冷流冷剂采用单一组分的烃类，随着天然气温度降 低，采用不同低沸点的冷剂对天然气和热流冷剤进行 冷却9直至天然气最终液化e该结构有效避免了现有 板翅式换热器结构在天然气处理规模增大导致的流体 分布不均匀现象…1换热器结构优化设计目前使用的板翅式换热器芯体结构见图1。

无论 是天然气和热流冷剤还是冷流冷剂，都被封闭于换热器芯体内部a1!天然气处理规模增大时，该结构对于 天翁气和热流冷剂的流体均_布性潘影晌相对较小;租.对于冷流冷剂，由f其流动过程中处于气、液两相状态，上述X況条件对流体均布性痕參响较大。

图1板翅式换热器结构Figure 1Plate fin heat transfer structure为使诙类型换热器更加经济有效地服务于大型天 然气液化领域，对现有板翅式换热器结构迸行了优化 设计，优化后的板翅式换热器芯体结构如图2所示，自上而下流动的介质A和C代表天然气和热流冷剂，B 代表冷流冷剂，其浸泡于整个板翅式换热器芯体及冷图3优化板翅式换热器结构俯视图Figure 3 Vertical view of optimized plate finheat transfer structure2模型建立对板翅式换热器芯体内部介质换热性能进行模拟 计算，需对板翅式换热器流道建立模型。

图4为板翅36石油与天然气化工CHEMICAL ENGINEERING OF OIL & GAS2017式换热器流道的换热器单元模型，该单元模型尺寸为 宽1.6 mm、高6.3 mm、长200 mm。

换热单元模型借 助ANSYS ICEM CFD进行非结构化网格划分（如图 5所示），网格数量为30万。

表3丙烷物性参数Table 3 Propane physical parameters物性温度/压力/t度/导热系数/动力黏度/参数K MPa(kg_nT3:)(kj_ (kg，c r K K m.K r^a g^m.s r1数值 250.9 0.227557.4 2.3320.122 2 1,598X10—5本文计算天然气与外部冷剤间的换热，外部冷剤 介质为丙烷，天然气组分、天然气物性参数及丙烷的物 性参数分别见表1、表:2和表31表1天然气组分Table 1Natural gas composition组分Ca c2c3i-C4i-C5n2摩尔分数0. 920. 050. 010. 0050. 0050. 01表2天然气物性参数Table 2 Natural gas physical parameters物性^S/ M/密度/ 比热/ 导热系数/动力黏度参数湿^(k g.m K k J.a g.D K W.U.K rlk g.^.s)-1) Mra数值288 3.8 31.19 2.437 0.034 6 1.182X1(P53模拟结果及分析根据所建立的换热单元模型、介质物性参数，借助 A N S Y S F L U E N T软件对板翅式换热器换热性能进 行模拟。

板翅式换热器芯体单元浸泡于外部冷剂，而 外部冷剂绝大部分以液相状态盛装于外部売体，换热 过程中下部冷剂发生相变部分较少，而在上部由子冷 剂与天然气温差较大，发生相变的部分较大，且在晃动 工况条件下，只有最上部液面存在轻微波动，,对中下部 液面没有影响，对中下部流体均布和换热效果影响都 比较小，因此，研究最上部换热器内部介质与外部冷剂 间的换热效果意义最大。

本研究过程中，天然气的处 理规模为200/ 104t/a,以壳体内浸泡的4个换热器 芯体为例进行计算，实际生产过程中多个相同壳体并 联进行作业。

3.1 天然气侧天然气侧的壁面温度分布如图6所示，壁面压力 分布如:图7所示。

由图6和_圈_7可以看:出，天然气由第41:卷第i_麗李奪荚:等大型:LM&换热器结构儀计及换热性篚模拟37入口到出口 1的流动过程中，温度和压力均匀下降，这 是因为天然气由上而下流动，流动过程中逐步被丙烷 冷剂冷却，所以温度逐渐下降，而流动过程中具有沿程 损失！压力也逐渐降低。

3.2冷剂侧丙烷冷剂几乎以全部液相浸泡在板翅式换热器芯 体外部，用_于冷却换热器内部流道时介鹰，在与换热器 内部热流介质换热过程中，芮錄吸热，换热s时丙 媒侧壁面温度变化如图§所爾。

宙图.8可知，丙.烷的_温度几乎没有发生变化，这是因为丙烷在浸泡于板翅 式换热器芯体外部时基本处f饱和状态，在与换热器 芯体内部天然气介质换热过程中，丙烷虽然吸热，但所 吸收热量基本是潜热，在丙烷完全变成千饱和蒸汽之 前,丙烷的温度不会发生变化。

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换热器课程设计总结

换热器课程设计总结

换热器课程设计总结一、引言换热器是热力工程中的重要设备，用于实现热量的传递和能量的转换。

本文将对换热器课程设计进行总结，包括设计目标、设计过程、结果分析以及对未来的展望。

二、设计目标在进行换热器课程设计之前，我们首先明确了设计目标，主要包括以下几点： 1. 实现高效换热：通过合理的换热器设计，提高换热效率，降低能量损失； 2. 保证安全可靠：在设计过程中考虑换热器的结构强度和耐压能力，确保设备的安全运行；3. 考虑经济性：在满足换热要求的前提下，尽量降低设计成本，提高设备的经济效益。

三、设计过程3.1 确定换热器类型根据实际需求和参数要求，我们选择了壳管式换热器作为设计对象。

考虑到换热效率和结构强度，我们选用了多管束的壳管式换热器。

3.2 计算换热面积根据热传导理论和换热器的工作条件，我们计算了所需的换热面积。

通过对流传热方程和温度差的计算，我们确定了合适的换热面积。

3.3 确定传热介质根据热源和热负荷的特点，我们选择了适当的传热介质。

在设计过程中考虑了介质的热导率、比热容等参数。

3.4 选择材料和结构根据设计要求和工艺条件，我们选择了合适的材料和结构。

在考虑材料的耐腐蚀性、强度和可焊性等方面进行了综合评估，确保设备的长期稳定运行。

3.5 进行热力计算通过热力计算，我们确定了换热器的热力性能。

包括热负荷、出口温度、传热系数等参数的计算，为后续的设计和优化提供了依据。

3.6 结构设计和优化在满足换热要求的前提下，我们对换热器的结构进行了设计和优化。

通过改变管束的布置方式、增加换热面积等手段，提高了换热效率和热力性能。

四、结果分析经过设计和优化，我们成功完成了换热器的设计，并进行了性能测试。

测试结果表明，设计的换热器能够满足设计要求，具有较高的换热效率和良好的安全性能。

五、对未来的展望在换热器课程设计的过程中，我们积累了宝贵的经验和知识。

然而，换热器技术仍然存在一些挑战和待解决的问题。

未来，我们将继续深入研究换热器的设计和优化，致力于提高换热器的性能和可靠性。

汽车空调换热器的仿真模拟与设计

汽车空调换热器的仿真模拟与设计


三、设计与制造
微通道换热器的设计需要考虑多个因素，如通道尺寸、通道形状、流体性质 等。在本次演示中，我们采用了一种新型的微通道设计，即蛇形微通道设计。这 种设计具有较高的传热系数和结构稳定性，能够满足汽车空调系统的要求。
在制造过程中，我们采用了先进的微细加工技术，将铝合金材料制成微小的 通道，使得通道壁厚均匀、光滑，以保证换热效果。同时，我们采用了真空钎焊 技术将多个微通道板组合在一起，以避免出现泄漏和堵塞等问题。
汽车空调换热器的仿真模拟与 设计
01 引言
03 设计流程 05 结论
目录
02 仿真模拟 04 仿真结果 06 参考内容
引言
随着科技的不断进步，汽车行业正迅速发展，对汽车空调系统的性能也提出 了更高的要求。汽车空调换热器作为汽车空调系统的重要组成部分，其性能直接 影响到整个空调系统的效果。因此，对汽车空调换热器进行仿真模拟与设计显得 尤为重要。本次演示将深入探讨汽车空调换热器的仿真模拟与设计，以提高汽车 空调系统的整体性能。
基于以上结论，我们提出以下建议：加强对汽车空调换热器的仿真模拟研究， 以进一步提高换热器的性能；在翅片厚度和间距的选择上，要进行多种方案比较， 找到最佳平衡点；优化冷凝器和蒸发器的结构设计，提高热量传递的均匀性；加 强生产过程中的质量控制，确保每个换热器的性能符合设计要求。
参考内容
随着汽车技术的不断发展，汽车空调系统的性能和效率也得到了极大的提升。 然而，传统的汽车空调系统存在着能效比不高、制冷效果不佳等问题。为了解决 这些问题，本次演示研究了一种采用微通道换热器的二氧化碳汽车空调系统，旨 在提高其冷却性能和能源利用效率。
四、性能测试
为了验证微通道换热器的性能，我们进行了一系列实验测试。首先，我们对 微通道换热器的温度分布进行了采集和分析，发现其温度分布均匀、冷却效果显 著。其次，我们对其湿度处理能力进行了测试，发现微通道换热器能够有效地降 低湿度，有利于提高制冷效果。最后，我们对微通道换热器的流量性能进行了测 试，发现其具有较好的流量调节能力，能够适应不同的环境温度和负荷条件。
板翅式换热器中新型微凸翅片结构设计及性能分析

板翅式换热器中新型微凸翅片结构设计及性能分析


试研究了三角波纹翅片和双尺度锯齿翅片的流动
分布,当流体流过微凸段时,一部分沿着微凸体的
与传热性能,研究发现,两种结构都能在保证压降
壁面流动,一部分 穿 过 微 凸 孔 与 相 邻 流 道 的 流 体
增高幅度很小的情况下实现传热强化.
混合,如图 １b 所示,起 到 了 流 动 边 界 层 破 坏 及 流
横向 流 动,从 而 导 致 流 动 不 均 匀 性 高、换 热 效 率
低.借鉴组合翅片的换热优势和平直翅片的低阻
特性,在 平 直 翅 片 的 壁 面 上 开 缝,冲 压 出 犁 型 微
图 ３ 仿真模型
凸,形成一种新型微凸翅片结构,如图 １a 所示,在
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微凸体形成的局部横向流动来改善换热性能.翅
器的整体换热性能.
图 ２ 微凸翅片主要结构参数
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１．
２ 微凸翅片结构性能分析
在 FLUENT 软件中对新型微凸翅片的换热性
能进行仿真分析.首先建立图 ３ 所示的简化仿真
模型,包括入口面、出口面、周期对称面、上下隔板
板翅式换热器超 大 型 化 和 低 能 耗 化 的 发 展 趋 势,
挖掘翅片区域的 换 热 潜 能、提 高 换 热 效 率 成 为 了
ASPEN换热器模拟实例教程

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Aspen plus换热器模拟概述换热器模块Heater加热器/冷却器确定出口物流的热和相态条件换热器，冷却器，阀门，与功有关的结果不需要时的泵和压缩机HeatX双物流换热器在两个物流之间换热两股物流的换热器当知道几何尺寸时核算管壳式换热器MHeatX 多物流换热器在多股物流之间换热多股热流和冷流换热器两股物流的换热器LNG换热器Hetran管壳式换热器与BJAC 管壳式换热器的接口程序管壳式换热器包括釜式再沸器Aerotran空冷换热器与BJAC 空气冷却换热器的接口程序错流式换热器包括空气冷却器HeatX换热器1.概述HeatX有两种简捷法和严格法计算模型。

简捷法（Shortcut）计算不需要换热器结构或几何尺寸数据，可以使用最少的输入量来模拟一个换热器。

Shortcut模型可进行设计模拟两种计算，其中设计计算依据工艺参数和总传热系数估算出传热面积。

严格法（Detailed）可以用换热器几何尺寸去估算传热膜系数、总传热系数、压降、对数平均温差校正因子等。

严格法核算模型对HeatX提供了较多的规定选项，但也需要较多的输入。

Detailed模型不能进行设计计算。

可以将HeatX 的Shortcut和Detailed结合完成换热器设计计算。

首先依据给定的设计条件用Shortcut 估算传热面积，然后依据Shortcut的计算结果用Detailed 进行核算。

在使用 HeatX 模型前，首先要弄清下面这些问题：（1）HeatX能够模拟的管壳换热器类型逆流和并流换热器；弓形隔板TEMA E, F, G, H, J和X壳换热器；圆形隔板TEMA E和F壳换热器；裸管和翅片管换热器。

（2）HeatX能够进行的计算全区域分析；传热和压降计算；显热、气泡状气化、凝结膜系数计算；内置的或用户定义的关联式。

（3）HeatX不能进行进行的计算机械震动分析计算；估算污垢系数。

（3）Hesttx需要的输入规定必须提供下述规定之一换热器面积或几何尺寸；换热器热负荷；热流或冷流的出口温度；在换热器两端之一处的接近温度；热流或冷流的过热度/过冷度；热流或冷流的气相分率（气相分率为 0 表饱和液相）；热流或冷流的温度变化。