均布器對(duì)LNG繞管式換熱器殼側(cè)流體的影響

1 概述

天然氣作為一種清潔能源，目前在能源消費(fèi)中所占的比重越來越高，天然氣液化技術(shù)也越來越受到學(xué)者的重視。低溫?fù)Q熱器是天然氣液化流程中的核心設(shè)備，繞管式換熱器廣泛應(yīng)用于使用混合制冷劑的大型LNG液化流程中

。天然氣從換熱器底部進(jìn)入管側(cè)，向上流動(dòng)被液化；制冷劑從頂部進(jìn)入殼側(cè)，向下流動(dòng)被氣化。殼側(cè)流體會(huì)存在氣態(tài)單相、液態(tài)單相和氣液兩相的流動(dòng)狀態(tài)

。殼側(cè)流體流量分配不均會(huì)導(dǎo)致?lián)Q熱效率下降，換熱管之間也會(huì)產(chǎn)生熱應(yīng)力，縮短設(shè)備壽命。所以有必要針對(duì)繞管式換熱器內(nèi)殼側(cè)流體分布不均勻問題開展研究。

針對(duì)換熱器內(nèi)流體分布問題，國內(nèi)外學(xué)者做了廣泛的研究。對(duì)于板翅式、板殼式換熱器，流量分布不均是導(dǎo)致其性能下降的主要原因

。魯紅亮等

研究結(jié)果表明，換熱器運(yùn)行工況和結(jié)構(gòu)因素是影響制冷劑在扁管中分配的主要因素。張哲等

研究發(fā)現(xiàn)板翅式換熱器導(dǎo)流片出口流量分配不均的主要原因是導(dǎo)流片進(jìn)口速度不均。許箐等

通過實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)氣體雷諾數(shù)及干度對(duì)于板翅式換熱器內(nèi)兩相流均布特性具有很大的影響。萬智華等

研究了LNG冷箱并聯(lián)管路中兩相流分配問題，結(jié)果表明：隨著體積含氣率增大，兩相流均布性先降低后增高。劉敏珊等

設(shè)計(jì)出一種新型的結(jié)構(gòu)，開發(fā)了新型緊湊板殼式換熱器，可提高內(nèi)部流體分布的均勻性。袁培等

通過在板翅式換熱器兩相流入口設(shè)置均布器，提高了兩相流分布的均勻性。Zheng等

為繞管式換熱器設(shè)計(jì)了一種均布器，并模擬研究了運(yùn)行參數(shù)對(duì)均布器效果的影響。

上述研究結(jié)果表明，流體分布不均會(huì)造成換熱器性能下降，運(yùn)行工況是影響換熱器流體均布性能的主要因素，改善結(jié)構(gòu)條件可提高流體分布的均勻性。目前對(duì)于LNG繞管式換熱器殼側(cè)流體均布性能的實(shí)驗(yàn)研究較少，對(duì)此本文設(shè)計(jì)了全尺寸的繞管式換熱器實(shí)驗(yàn)樣件，搭建了氣液兩相流實(shí)驗(yàn)測(cè)試平臺(tái)。研究在不同運(yùn)行工況下，換熱器殼側(cè)流體均布特性規(guī)律，并且在換熱器內(nèi)部設(shè)置了環(huán)形均布器，研究均布器對(duì)流體均布特性的影響規(guī)律，研究結(jié)果可為提升換熱器殼側(cè)流體均布性能提供理論依據(jù)。

2 實(shí)驗(yàn)樣件與實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

換熱器實(shí)驗(yàn)樣件由兩部分組成：換熱器外殼和纏繞管，兩相流入口位于換熱器外殼頂部中心位置，纏繞管位于換熱器外殼底部。換熱器實(shí)驗(yàn)樣件結(jié)構(gòu)參數(shù)見表1，換熱器實(shí)驗(yàn)樣件見圖1，纏繞管實(shí)驗(yàn)樣件見圖2，均布器實(shí)驗(yàn)樣件見圖3。兩相流從均布器上方入口進(jìn)入，液體在均布器內(nèi)部形成一定液位高度，從均布器底部小孔流出進(jìn)入纏繞管殼側(cè)空間；小部分氣體從均布器底部小孔流出，大部分氣體從均布器環(huán)管之間進(jìn)入纏繞管殼側(cè)空間，均布器對(duì)氣液兩相都能起到均勻分布的作用。

本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)由氣路、水路及測(cè)量系統(tǒng)3部分組成。水箱中的水由水泵加壓后進(jìn)入氣液混合器；空氣由空氣壓縮機(jī)輸送至氣液混合器中，與水混合。混合后的氣液兩相流體進(jìn)入實(shí)驗(yàn)樣件入口，然后進(jìn)入纏繞管殼側(cè)空間。在運(yùn)行調(diào)試階段，兩相流體從樣件外殼下方通道流出，直接回到水箱。在測(cè)量階段，三通換向閥換向，其中流入測(cè)量通道的氣水混合物進(jìn)入氣液分離器；非測(cè)量通道的氣水混合物進(jìn)入壓力平衡裝置中再回到水箱，保證測(cè)量通道與非測(cè)量通道的后續(xù)環(huán)路壓降相近，消除測(cè)量環(huán)路壓降對(duì)均布性測(cè)試的影響。120 s測(cè)量結(jié)束后，關(guān)閉設(shè)備，并測(cè)量氣液分離器中水的質(zhì)量。實(shí)驗(yàn)原理見圖4。

3 數(shù)據(jù)處理與誤差分析

在樣件外殼底面設(shè)計(jì)了48個(gè)流體出口通道，各圈出口的徑向間距相同。受測(cè)量?jī)x表數(shù)量的限制，選取12個(gè)出口作為測(cè)量通道，測(cè)量每個(gè)通道內(nèi)的氣相流量和液相流量，測(cè)量通道編號(hào)見圖5。本實(shí)驗(yàn)中采用流量比例系數(shù)與離散系數(shù)作為流體分布均勻性的評(píng)價(jià)指標(biāo)

。

氣液兩相流的干度計(jì)算見式(1)。

(1)

流量比例系數(shù)計(jì)算見式(2)。

g

——?dú)庀噘|(zhì)量流量，kg/h

目前，遼寧省完成山洪災(zāi)害防治非工程措施項(xiàng)目的42個(gè)縣（市、區(qū)）共建有自動(dòng)雨量站840個(gè)、簡(jiǎn)易雨量站617個(gè)、人工雨量站97個(gè)，自動(dòng)水位站194個(gè)、簡(jiǎn)易水位站232個(gè)、多要素氣象站227個(gè)、鄉(xiāng)鎮(zhèn)視頻會(huì)議系統(tǒng)824個(gè)、預(yù)警廣播3 116套。全省共配備傳真機(jī)848臺(tái)、手搖報(bào)警器720個(gè)、鑼42 862個(gè)、宣傳手冊(cè)165 425冊(cè)、光盤錄音帶7 319個(gè)、明白卡447 925張、警示牌7 188個(gè)、宣傳欄7 261個(gè)。

軟件主界面分為4個(gè)區(qū)域,分別是觀測(cè)事項(xiàng)提醒,交接班記錄,到報(bào)檢查結(jié)果和質(zhì)量控制結(jié)果。如圖1,軟件主要功能的運(yùn)行結(jié)果均在首頁顯示。

l

——液相質(zhì)量流量，kg/h

式中

——干度

(2)

式中

——通道

流量比例系數(shù)

——通道

總質(zhì)量流量，kg/h

，ave

——所有測(cè)量通道總質(zhì)量流量平均值，kg/h

原因如下：對(duì)于單相流體：總質(zhì)量流量一定，干度較小時(shí)，氣相質(zhì)量流量較小，液相質(zhì)量流量較大，氣相分布均勻性較差，液相分布均勻性較好，氣相離散系數(shù)大于液相離散系數(shù)。隨著干度的增大，氣相質(zhì)量流量逐漸增大，氣相分布均勻性逐漸變好，氣相離散系數(shù)逐漸減小。當(dāng)干度的增大在一定范圍內(nèi)時(shí)，液相質(zhì)量流量雖然減小，但在氣流夾帶作用下液相分布均勻性基本保持不變，液相離散系數(shù)變化不大。當(dāng)干度繼續(xù)增大，液相質(zhì)量流量再次減少時(shí)，液相分布均勻性變差，液相離散系數(shù)增大，氣相離散系數(shù)小于液相離散系數(shù)。

DGIWG發(fā)布的成果分為文獻(xiàn)和注冊(cè)資料2種。文獻(xiàn)包括地理空間信息類標(biāo)準(zhǔn)與專用實(shí)施標(biāo)準(zhǔn)、技術(shù)報(bào)告、產(chǎn)品規(guī)范、手冊(cè)與指南、標(biāo)準(zhǔn)工作路線圖（road map）和早期文獻(xiàn)，其中，地理空間信息類標(biāo)準(zhǔn)與專用實(shí)施標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了軍方地理空間信息的構(gòu)成，技術(shù)報(bào)告是推進(jìn)戰(zhàn)略實(shí)施的一種申報(bào)機(jī)制，產(chǎn)品規(guī)范由各成員國根據(jù)DGIWG標(biāo)準(zhǔn)在多邊合作協(xié)議下制定，手冊(cè)與指南規(guī)定了標(biāo)準(zhǔn)與產(chǎn)品規(guī)范的實(shí)施方法，標(biāo)準(zhǔn)工作路線圖規(guī)定了未來的標(biāo)準(zhǔn)化工作計(jì)劃及相關(guān)的工作計(jì)劃，早期文獻(xiàn)即DGIWG不再維護(hù)的文獻(xiàn)。DGIWG現(xiàn)行的測(cè)繪地理信息類標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范和指南見表1。

(3)

(4)

，,

——通道

氣相(液相、兩相)質(zhì)量流量，kg/h

——測(cè)量通道數(shù)量

，ave,

——?dú)庀?液相、兩相)質(zhì)量流量平均值，kg/h

式中

′——標(biāo)準(zhǔn)方差,kg/h

① 有無均布器對(duì)比

——流體相態(tài)編號(hào)，取1表示氣相，取2表示液相，取3表示兩相

——離散系數(shù)

流量比例系數(shù)

可反映通道流量的相對(duì)大小，離散系數(shù)

可反映流體整體分布均勻程度。離散系數(shù)越小，均布性能越好；各通道流量比例系數(shù)越接近1，均布性能越好。

1.堅(jiān)持節(jié)約利用、循環(huán)利用。始終把節(jié)約集約高效循環(huán)利用作為礦業(yè)綠色發(fā)展的重中之重。提高節(jié)約用礦標(biāo)準(zhǔn)，強(qiáng)化污染防治和廢棄資源綜合回收利用，提升資源利用效率和水平，以資源利用方式轉(zhuǎn)變推動(dòng)礦業(yè)綠色低碳循環(huán)發(fā)展。

4 無均布器殼側(cè)流體均布性能實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)工況分2類，第1類為干度相等，第2類為總質(zhì)量流量相等。保持干度一定，改變空氣和水的質(zhì)量流量，各進(jìn)行5組實(shí)驗(yàn)，研究總質(zhì)量流量對(duì)均布性能的影響，第1類實(shí)驗(yàn)工況見表2；保持總質(zhì)量流量一定，調(diào)節(jié)空氣和水的比例，各進(jìn)行5組實(shí)驗(yàn)，研究干度對(duì)均布性能的影響，第2類實(shí)驗(yàn)工況見表3。

4.1 總質(zhì)量流量對(duì)均布性能影響

總質(zhì)量流量等于1 000、1 850 kg/h的工況下，離散系數(shù)隨干度的變化見圖9。總質(zhì)量流量等于1 000 kg/h工況下，隨著干度增大，氣相和兩相離散系數(shù)逐漸減小，液相離散系數(shù)變化不大；總質(zhì)量流量等于1 850 kg/h工況下，隨著干度的增大，氣相離散系數(shù)逐漸減小后趨于穩(wěn)定，液相離散系數(shù)逐漸增大后趨于穩(wěn)定，兩相離散系數(shù)變化不大。對(duì)于總質(zhì)量流量相等工況，在沒有均布器的條件下(見圖7)，當(dāng)干度增大到一定程度之后，液相和兩相離散系數(shù)都有隨干度增大的趨勢(shì)；設(shè)置均布器之后，隨著干度增大，液相和兩相離散系數(shù)沒有明顯增大的趨勢(shì)。均布器對(duì)液相流體和兩相流體均布性能均有所提升。

目前，以智能制造、生物科技和人工智能為代表的新興產(chǎn)業(yè)在我國總體上尚處于發(fā)展初期。從行業(yè)生命周期的角度來看，處于種子期和發(fā)展初期的新興產(chǎn)業(yè)需要投入大量的研發(fā)和市場(chǎng)推廣成本，并且缺乏穩(wěn)定的現(xiàn)金流收入，企業(yè)的收支狀況無法負(fù)擔(dān)傳統(tǒng)信貸模式下的利息返還。同時(shí)，由于金融機(jī)構(gòu)對(duì)新興產(chǎn)業(yè)的關(guān)鍵技術(shù)識(shí)別能力有限，難以對(duì)其實(shí)際價(jià)值進(jìn)行準(zhǔn)確評(píng)估，企業(yè)難以將無形資產(chǎn)作為質(zhì)押物獲得銀行貸款，面臨較大的融資約束。

原因如下：干度一定，總質(zhì)量流量增大時(shí)，氣相和液相質(zhì)量流量都要增大。氣相、液相均處于湍流狀態(tài)，彼此之間相互影響，導(dǎo)致氣相和液相單相流體在空間分布變得復(fù)雜，離散系數(shù)變化規(guī)律不明顯；與單相流體分布不同，對(duì)于氣液兩相流體，即使其中一相在某一方向分布不均勻，另一相會(huì)對(duì)其有一定程度的補(bǔ)充，兩相流體在空間中的分布均勻性要優(yōu)于單相流體。

4.2 干度對(duì)均布性能影響

總質(zhì)量流量為1 000、1 850 kg/h時(shí)，離散系數(shù)隨干度的變化見圖7?？傎|(zhì)量流量一定，初始時(shí)氣相離散系數(shù)大于液相離散系數(shù)，隨著干度的增大，氣相離散系數(shù)逐漸減小，最后小于液相離散系數(shù)；兩相離散系數(shù)隨干度的增大，先減小后增大。

離散系數(shù)計(jì)算見式(3)、(4)。

對(duì)于兩相流體：當(dāng)干度較小時(shí)，液相占主導(dǎo)地位，氣相的增加會(huì)使得兩相流體初始分布的錐形角度增大，兩相流分布范圍增大，兩相流分布更加均勻，離散系數(shù)隨著干度的增大而減??；但隨著氣體的再次增加，在氣相剪切力作用下，兩相流分布的錐形面上，某一方向上質(zhì)量流量較少，整體分布變得不均勻，兩相離散系數(shù)變大。

3、20世紀(jì)90年代以來進(jìn)入快速發(fā)展時(shí)期，有大量的專業(yè)作曲家創(chuàng)作了古箏曲。他們的作品技法新穎，題材多樣，時(shí)代氣息濃厚，技法大膽創(chuàng)新，給人耳目一新的感覺。左手技術(shù)已經(jīng)從伴奏形式轉(zhuǎn)變?yōu)榕c右手相同的演奏旋律，同時(shí)也推進(jìn)了古箏演奏技術(shù)的發(fā)展。代表作《臨安遺恨》。

5 有均布器殼側(cè)流體均布性能實(shí)驗(yàn)

為了研究均布器對(duì)兩相流分布均勻性的改善情況，設(shè)置均布器之后，按照干度相等和總質(zhì)量流量相等工況進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，參數(shù)和之前基本保持一致。

5.1 總質(zhì)量流量對(duì)均布性能影響

設(shè)置均布器后，干度等于0.2和0.4的工況下，離散系數(shù)隨總質(zhì)量流量的變化見圖8。干度等于0.2，總質(zhì)量流量大于1 010 kg/h之后，單相和兩相離散系數(shù)均隨總質(zhì)量流量的增大而減小；同樣，干度等于0.4，總質(zhì)量流量大于480 kg/h之后， 單相和兩相離散系數(shù)均隨總質(zhì)量流量的增大而減小。對(duì)于干度一定的工況，在沒有均布器的條件下(見圖6)，隨著總質(zhì)量流量增加，氣相和液相離散系數(shù)沒有明顯的變化規(guī)律；設(shè)置均布器之后，當(dāng)總質(zhì)量流量增大到一定程度之后，單相和兩相離散系數(shù)均隨總質(zhì)量流量的增大而減小。并根據(jù)變化趨勢(shì)分析：如果總質(zhì)量流量繼續(xù)增大，單相和兩相離散系數(shù)將繼續(xù)減小，說明均布器對(duì)單相和兩相流體的均布性能均有明顯提升。

5.2 干度對(duì)均布性能影響

干度為0.2、0.4的工況下離散系數(shù)隨總質(zhì)量流量的變化見圖6。干度一定，隨著總質(zhì)量流量的增大：氣相和液相離散系數(shù)變化較為復(fù)雜，無明顯規(guī)律。在絕大數(shù)工況下，兩相離散系數(shù)小于單相離散系數(shù)。

對(duì)于成人學(xué)生而言，傳統(tǒng)的課堂教學(xué)模式有效性較低，出現(xiàn)教學(xué)目標(biāo)重認(rèn)知，教學(xué)方法以單一的講授法為主，教學(xué)內(nèi)容陳舊，學(xué)生參與被動(dòng)、低效，教學(xué)環(huán)境信息化水平低等問題。而這些問題無一不制約著成人學(xué)生的學(xué)習(xí)體驗(yàn)和效果。因此，面向成人的課堂教學(xué)改革迫在眉睫。智慧課堂是當(dāng)前教育信息化研究的一個(gè)熱點(diǎn)，是信息技術(shù)與教育深度融合的產(chǎn)物。利用新一代信息技術(shù)所打造的智慧課堂，能夠?qū)崿F(xiàn)課前、課中和課后的全過程跟蹤，能夠通過教師的有效指引，使學(xué)生在情景化、移動(dòng)化、感知化的學(xué)習(xí)活動(dòng)中靈巧、高效地運(yùn)用知識(shí)解決問題。智慧課堂是“互聯(lián)網(wǎng)+教育”背景下學(xué)校教育信息化聚焦于課堂教學(xué)、聚焦于師生活動(dòng)、聚焦于智慧生成的必然結(jié)果。

企業(yè)作為育人主體直接參與人才培養(yǎng)，使專業(yè)和產(chǎn)業(yè)緊密聯(lián)系，知識(shí)、能力、素質(zhì)三者融為一體，理論學(xué)習(xí)和實(shí)踐訓(xùn)練有機(jī)結(jié)合，從而能不斷完善課程體系，健全教學(xué)管理制度與質(zhì)量保障體系，達(dá)到培養(yǎng)人才和服務(wù)社會(huì)的目的。同時(shí)，可以借鑒企業(yè)管理中的先進(jìn)理念，實(shí)行學(xué)生管理企業(yè)化，將企業(yè)文化融入學(xué)生管理中，將企業(yè)管理制度引入到學(xué)生管理中，將企業(yè)實(shí)踐活動(dòng)貫穿于學(xué)生管理中，全面提升學(xué)生的工程能力與素養(yǎng)，培養(yǎng)出市場(chǎng)需要的高素質(zhì)技能型職業(yè)人。

5.3 均布器對(duì)均布性能影響分析

11月18日，澳大利亞動(dòng)用直升機(jī)為墨爾本的四個(gè)博物館安裝2700多塊太陽能電池板。這將是墨爾本最大的太陽能電池陣列。整個(gè)項(xiàng)目將使維多利亞州博物館的碳排放量減少35%，每年減少4590噸二氧化碳排放。

分析均布器在相同的工況下，對(duì)兩相流均布性能的提升效果。有無均布器對(duì)比實(shí)驗(yàn)工況見表4，選取5種工況進(jìn)行分析。兩相離散系數(shù)對(duì)比見圖10，可以看出，設(shè)置均布器之后，5種工況兩相離散系數(shù)分別減小了8.24%、8.30%、13.20%、10.06%、17.79%。這5種工況的總質(zhì)量流量均不小于1 000 kg/h，干度均小于0.3。符合實(shí)際LNG繞管式換熱器殼側(cè)兩相流制冷劑大質(zhì)量流量、小干度的情況，因此環(huán)形均布器適用于LNG繞管式換熱器，能提升換熱器殼側(cè)流體的均布性能。

② 均布器對(duì)周向和徑向均布性能影響

式(2)就是輸送臂關(guān)節(jié)1，2的運(yùn)動(dòng)學(xué)方程，它表明了輸送臂的末端在空間的位置和姿態(tài)。用4×1的位置向量表示為

本實(shí)驗(yàn)測(cè)量通道共有12個(gè)，其中通道1、2、3、4在同一圓周上，通道3、6、9、12在同一徑向方向上。以總質(zhì)量流量等于1 000 kg/h的工況編號(hào)為 11～15的5個(gè)工況為例，分析均布器在周向和徑向上，對(duì)兩相流均布性能的影響。

無均布器、有均布器時(shí)周向通道流量比例系數(shù)變化見圖11，無均布器、有均布器時(shí)徑向通道流量比例系數(shù)變化見圖12。

由圖11a可以看出，各通道的流量比例系數(shù)相差較大；對(duì)于同一個(gè)通道，干度變化時(shí)，流量比例系數(shù)變化較大。同一周向上流體分布不是很均勻。由圖11b可以看出，對(duì)于同一個(gè)通道，干度變化時(shí)，流量比例系數(shù)變化較小。

由圖12a可以看出，從內(nèi)到外，通道流量比例系數(shù)先減小后增大再減小，徑向分布性能較差。由圖12b可以看出，從內(nèi)到外，通道流量比例系數(shù)逐漸減小，說明均布器提升了兩相流體徑向分布的均勻性。綜上，均布器對(duì)兩相流體周向和徑向分布的均勻性都有所提升。

6 結(jié)論

① 無均布器條件下，干度一定，隨著總質(zhì)量流量增大，單相離散系數(shù)無明顯變化規(guī)律，在絕大多數(shù)工況下，兩相離散系數(shù)小于單相離散系數(shù)；總質(zhì)量流量一定，初始時(shí)氣相離散系數(shù)大于液相離散系數(shù)，隨著干度增大，氣相離散系數(shù)逐漸減小，最后小于液相離散系數(shù)；兩相離散系數(shù)隨干度增大，先減小后增大。

現(xiàn)代企業(yè)固定資產(chǎn)投資行為最重要的就是過程管理，只有做好過程管理的每一個(gè)細(xì)節(jié)，才能順利實(shí)現(xiàn)預(yù)定的目標(biāo)。固定資產(chǎn)投資管理信息系統(tǒng)應(yīng)涵蓋對(duì)固定資產(chǎn)投資項(xiàng)目的全過程管理，實(shí)現(xiàn)對(duì)這一項(xiàng)目的整個(gè)周期管理，同時(shí)加強(qiáng)跟這一項(xiàng)目相關(guān)的所有單位、相關(guān)方、責(zé)任方的管理，做好溝通與協(xié)調(diào)工作，保證項(xiàng)目施工的順利進(jìn)行，防止意外情況的發(fā)生；這套管理信息系統(tǒng)還應(yīng)可以對(duì)固定資產(chǎn)投資項(xiàng)目施工過程中所產(chǎn)生的大量文件、檔案、資料、合同、標(biāo)書、票據(jù)等材料實(shí)施規(guī)范化管理，分類組卷，做好電子化、無紙化處理。

② 設(shè)置均布器后，干度一定，當(dāng)總質(zhì)量流量增大到一定程度時(shí)，隨著總質(zhì)量流量增大，單相和兩相離散系數(shù)均逐漸減??；總質(zhì)量流量一定，隨著干度增大，液相和兩相離散系數(shù)沒有明顯增大的趨勢(shì)，均布器對(duì)液相流體和兩相流體均布性能均有所提升。

③ 設(shè)置均布器后，實(shí)驗(yàn)的5種工況兩相離散系數(shù)最大減小了17.79%。

④ 均布器對(duì)兩相流體周向和徑向均布性能均有所提升。

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