LNG梯級(jí)汽化器工藝設(shè)計(jì)與分析

答辯人：馬曉龍指導(dǎo)老師：趙忠超ProcessDesignandAnalysisofLNGCascadeVaporizerLNG梯級(jí)汽化器工藝設(shè)計(jì)與分析江蘇科技大學(xué)能動(dòng)學(xué)院JiangsuUniversityofScienceandTechnology目前一頁(yè)\總數(shù)二十三頁(yè)\編于十四點(diǎn)CONTENTS142536研究背景熱力分析技術(shù)思路設(shè)計(jì)計(jì)算結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)結(jié)論RESEARCHBACKGROUNDSTECHNICALTHOUGHTSSTRUCTUREDESIGNTHERMALANALYSISDESIGNCALCULATIONCONCLUSION目前二頁(yè)\總數(shù)二十三頁(yè)\編于十四點(diǎn)1研究背景RESEARCHBACKGROUNDS目前三頁(yè)\總數(shù)二十三頁(yè)\編于十四點(diǎn)從2004年到2013年，我國(guó)天然氣消費(fèi)量始終保持著10%以上的快速增長(zhǎng)，9年間的平均增量為138億立方米，平均增長(zhǎng)速度17.0%。截至2015年，我國(guó)天然氣消費(fèi)量快速增長(zhǎng)，表觀消費(fèi)量達(dá)到1933億立方米；1研究背景RESEARCHBACKGROUNDS分析1LNG動(dòng)力船分析3分析2IMOTierIII汽化裝置目前四頁(yè)\總數(shù)二十三頁(yè)\編于十四點(diǎn)汽化裝置開(kāi)架式汽化器

空溫式汽化器

浸沒(méi)燃燒式汽化器

帶中間傳熱介質(zhì)的汽化器

1研究背景RESEARCHBACKGROUNDS目前五頁(yè)\總數(shù)二十三頁(yè)\編于十四點(diǎn)2技術(shù)思路TECHNICALTHOUGHTS目前六頁(yè)\總數(shù)二十三頁(yè)\編于十四點(diǎn)存在問(wèn)題思路通過(guò)分析目前汽化器存在的問(wèn)題以及船用汽化器的特點(diǎn)，選擇梯級(jí)汽化器的熱源、中間換熱介質(zhì)、傳熱體結(jié)構(gòu)等，提出梯級(jí)汽化器的汽化方案，得到汽化器結(jié)構(gòu)的初步設(shè)計(jì)。換熱介質(zhì)結(jié)冰換熱管結(jié)霜消耗部分能源熱源傳熱體中間傳熱介質(zhì)2技術(shù)思路TECHNICALTHOUGHTS目前七頁(yè)\總數(shù)二十三頁(yè)\編于十四點(diǎn)2技術(shù)思路TECHNICALTHOUGHTS熱源選擇選擇一選擇二用于冷卻船舶主機(jī)的淡水，其熱量一般排放到環(huán)境中。缸套冷卻水十分常用的環(huán)境熱源，但是會(huì)導(dǎo)致一些問(wèn)題。海水、空氣比較結(jié)果采用缸套冷卻循環(huán)水作為熱源，不僅減小海水溫降，保護(hù)海洋生態(tài)環(huán)境，而且水質(zhì)相對(duì)海水對(duì)設(shè)備腐蝕小，同時(shí)有效利用廢熱，產(chǎn)生一定經(jīng)濟(jì)效益，對(duì)可持續(xù)發(fā)展有著重要意義。目前八頁(yè)\總數(shù)二十三頁(yè)\編于十四點(diǎn)2技術(shù)思路TECHNICALTHOUGHTS冷媒R290R717R134aR404AR407cR410AR22組成C3H8NH3CH2FCF3R125/143a/134a,44/52/4R32/125/134aR32/125,50/50CHF2Cl標(biāo)準(zhǔn)沸點(diǎn)（oC）-42.17-33.35-26.2-46.5-43.6-52.5-40.84凝固溫度（oC）-187.1-77.7-101.0---155-160.0臨界溫度（oC）96.8132.4101.172.187.372.596.13臨界壓力（MPa）4.25611.524.063.7284.8204.954.986臨界比體積（10-3/kg）4.464.131.942---1.905ODP0000000.04-0.05GWP20014303900150021001810幾種冷媒的熱力性質(zhì)比較中間傳熱介質(zhì)目前九頁(yè)\總數(shù)二十三頁(yè)\編于十四點(diǎn)2技術(shù)思路TECHNICALTHOUGHTS熱虹吸管傳熱體選擇傳熱體作為汽化器中熱量交換的重要媒介，其換熱能力的強(qiáng)弱決定了汽化器的各項(xiàng)性能指標(biāo)，本文所設(shè)計(jì)的汽化器采用熱虹吸管作為傳熱體，其相對(duì)于傳統(tǒng)傳熱管具有以下優(yōu)勢(shì)。傳熱效率高

在眾多的傳熱元件中，熱管是目前已知的效率最高的傳熱元件之一，由于采用相變換熱，也可滿足小溫差下的傳熱；尺寸形狀不受限制可以根據(jù)實(shí)際需求制成需要的尺寸及形狀，同時(shí)換熱效率不會(huì)受到影響，且均溫性能優(yōu)異，熱源可以分散在整個(gè)熱管長(zhǎng)度之上；價(jià)格低廉熱管的批量生產(chǎn)降低了其生產(chǎn)成本，如上世紀(jì)90年代為PC散熱的熱管成本大約是10至15美元，目前已經(jīng)大幅減少到不足1美元。目前十頁(yè)\總數(shù)二十三頁(yè)\編于十四點(diǎn)3結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)STRUCTUREDESIGN目前十一頁(yè)\總數(shù)二十三頁(yè)\編于十四點(diǎn)3結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)STRUCTUREDESIGN目前十二頁(yè)\總數(shù)二十三頁(yè)\編于十四點(diǎn)4熱力分析THERMALANALYSIS目前十三頁(yè)\總數(shù)二十三頁(yè)\編于十四點(diǎn)4熱力分析THERMALANALYSIS熱網(wǎng)絡(luò)法熱網(wǎng)絡(luò)法，也稱為熱阻熱容法、熱節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)法，是一種類比與電路中電阻的分析方法。目前這種方法已經(jīng)廣泛的應(yīng)用在航空航天、建筑、醫(yī)學(xué)和制冷等眾多領(lǐng)域。熱網(wǎng)絡(luò)法提供了一個(gè)相對(duì)簡(jiǎn)單且直觀的解決方案，因此本文采用熱網(wǎng)絡(luò)法作為汽化器中換熱問(wèn)題的基本研究方法，通過(guò)對(duì)汽化器中各部分元件熱阻的分析，從而設(shè)計(jì)計(jì)算各部分的設(shè)計(jì)參數(shù)，得到汽化器的換熱性能等指標(biāo)。目前十四頁(yè)\總數(shù)二十三頁(yè)\編于十四點(diǎn)1熱源到蒸發(fā)端外表面?zhèn)鳠釤嶙鑂e,inter4熱力分析THERMALANALYSIS2蒸發(fā)端管壁徑向?qū)釤嶙鑂e,w3蒸發(fā)端的內(nèi)部蒸發(fā)作用引起的熱阻Re,in4由熱虹吸管內(nèi)部蒸汽壓降引起的熱阻Rv5絕熱段軸向管壁傳熱熱阻Ra,w6絕熱段軸向管壁液膜傳熱熱阻Ra,in7冷凝端的內(nèi)部冷凝作用引起的熱阻Rc,in8冷凝端管壁徑向?qū)釤嶙鑂c,w9冷凝端外表面到冷源的傳熱熱阻Rc,inter目前十五頁(yè)\總數(shù)二十三頁(yè)\編于十四點(diǎn)4熱力分析THERMALANALYSISLNG流體核狀沸騰換熱丙烷蒸汽膜狀冷凝傳熱丙烷流體核狀沸騰換熱天然氣橫掠圓管缸套冷卻水橫掠圓管丙烷蒸汽橫掠圓管汽化區(qū)過(guò)熱區(qū)目前十六頁(yè)\總數(shù)二十三頁(yè)\編于十四點(diǎn)5設(shè)計(jì)計(jì)算DESIGNCALCULATION目前十七頁(yè)\總數(shù)二十三頁(yè)\編于十四點(diǎn)5設(shè)計(jì)計(jì)算DESIGNCALCULATION5m3/h汽化流量丙烷-163oCLNG20oC25oC20oC0.35MPa0.648MPa3000m3/h缸套水80oC30oC0.60MPa主要參數(shù)數(shù)值船長(zhǎng)（m）330型寬（m）60載重（t）296600設(shè)計(jì)吃水（m）21.5運(yùn)營(yíng)航速（kn）15.6主機(jī)功率（kw）24000LNG儲(chǔ)罐容積（m3）2257.48LNG動(dòng)力船主要參數(shù)目前十八頁(yè)\總數(shù)二十三頁(yè)\編于十四點(diǎn)5設(shè)計(jì)計(jì)算DESIGNCALCULATION計(jì)算步驟14253根據(jù)能量守恒原則，在考慮一定熱損失的情況下，計(jì)算各狀態(tài)點(diǎn)參數(shù)；熱平衡計(jì)算

計(jì)算單根熱虹吸管總熱阻，然后根據(jù)對(duì)數(shù)平均溫差法，求得在汽化區(qū)需要的熱虹吸管數(shù)量；汽化區(qū)換熱計(jì)算

采用類似與熱管換熱器的壓力降計(jì)算經(jīng)驗(yàn)公式，求出三個(gè)腔體的壓力降。壓力降計(jì)算

包括對(duì)熱虹吸管的管徑選型，管子的排列和換熱腔體的橫截面積計(jì)算；幾何參數(shù)設(shè)計(jì)

計(jì)算單根熱虹吸管總熱阻，然后根據(jù)對(duì)數(shù)平均溫差法，求得在過(guò)熱區(qū)需要的熱虹吸管數(shù)量；過(guò)熱區(qū)換熱計(jì)算

目前十九頁(yè)\總數(shù)二十三頁(yè)\編于十四點(diǎn)5設(shè)計(jì)計(jì)算DESIGNCALCULATION主要參數(shù)數(shù)值汽化器直徑（m）0.68汽化器長(zhǎng)度（m）2.5LNG腔截面積（m2）/高度（m）0.12/0.2丙烷腔截面積（m2）/高度（m）0.12/0.17熱源腔截面積（m2）/高度（m）0.12/0.2每排熱虹吸管數(shù)量（根）16LNG汽化區(qū)縱深排數(shù)（排）/數(shù)量（根）34/544NG過(guò)熱區(qū)縱深排數(shù)（排）/數(shù)量（根）3/48LNG側(cè)壓力降（Pa）3587.9丙烷側(cè)壓力降（Pa）922.3熱源側(cè)壓力降（Pa）145.7汽化器主要參數(shù)匯總目前二十頁(yè)\總數(shù)二十三頁(yè)\編于十四點(diǎn)6結(jié)論CONCLUSION目前二十一頁(yè)\總數(shù)二十三頁(yè)\編于十四點(diǎn)1423由于采用了中間換熱流體丙烷，可以有效的避免冰點(diǎn)問(wèn)題，從而在很大程度上提高了梯級(jí)汽化器的汽化效率，保證裝置的穩(wěn)定運(yùn)行;由于采用熱虹吸管作為傳熱體，經(jīng)過(guò)計(jì)算得出汽化器的結(jié)構(gòu)尺寸相對(duì)同等汽化量的汽化器更小，適用于LNG動(dòng)力船;熱源來(lái)自船上主機(jī)缸套冷卻循環(huán)水，避免了對(duì)海洋生態(tài)環(huán)境的影響，同時(shí)提高了熱源的水質(zhì)，降低了對(duì)汽化器的腐蝕；