一种太阳能集热器在液化天然气中的应用研究

论文摘要

随着我国社会的不断发展,大量引进LNG将对优化我国的能源结构发挥重要作用,与LNG有关的专用贮存设备和气化设备的研究也己成为学术界的热点。LNG接受站气化器类型较多,但是利用太阳能来直接气化LNG的研究比较少。与传统的气化器相比,U型管式全玻璃真空管太阳能气化器有着许多优点,像结构轻巧,拆装方便,适用于用气量小的场合；但也有其特殊性,例如全玻璃真空管对太阳能辐射强度的吸收率以及热效率,U型管的结构布置,U型管内存在着液气相变的动平衡过程,以及出口处的气化率等。为了实现合理设计,需要对U型管内气化过程的流体流动及传热规律进行分析,探讨更为合理的结构和操作参数,给工程实际应用提供参考依据。本文首先建立了U型管太阳能集热器性能的理论模型,使用热阻图来确定集热管的热效率方程,集热器的总热损系数和效率因子,提出了U形管中的相变现象和强制对流换热沸腾现象中可能存在的流型,以及换热系数的改变对气化过程的影响。分析了太阳能气化器中U形管内流体的流动与传热过程,建立了多相流流动的数学模型,确定流体的物性参数及边界条件,以及相变的UDF程序,为下一步的数值计算提供了依据。通过对U型太阳能真空管进行气化数值模拟,分析了气化器管程流体流动与换热状况,对影响U型管太阳能气化器的结构和操作参数方面进行了讨论,描述了U型管内流体的气液分布和流动情况,获得了影响气化率的因素。通过对整个气化系统的综合分析,完善了LNG从气化到气体的加热过程,最终获得常温下的天然气供用户使用。在模型计算的过程中,采用变物性参数的方法考虑浮升力的影响。最后,分析了其经济和环保效益。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 几种真空管太阳能集热器简介
• 1.2.1 全玻璃真空管太阳能集热器
• 1.2.2 金属—玻璃结构真空管型太阳集热器
• 1.2.3 热管真空管太阳能集热器
• 1.2.4 U型管式全玻璃真空管集热器
• 1.3 LNG储配站
• 1.3.1 LNG储配站工艺流程
• 1.3.2 储配站各装置的作用
• 1.4 LNG气化器
• 1.4.1 气化器类型
• 1.4.2 常见气化器介绍
• 1.5 效益简单比较
• 1.6 本课题的主要研究工作
• 第2章 U型管太阳能集热器的结构及特点
• 2.1 U型管全玻璃太阳能集热器的结构
• 2.2 U型管集热器传热分析
• 2.2.1 集热器热效率方程的建立
• 2.2.2 集热器的总热损系数
• 2.2.3 集热器的效率因子
• 2.3 管道中的相变现象理论
• 2.3.1 气液物理性质及决定因素比较
• 2.3.2 管内气液两相流的基本方程式
• 2.3.3 U型管中的气液两相流流型
• 2.4 受热管中的强制对流沸腾换热
• 2.5 本章小结
• 第3章 U型管建模及数值方法
• 3.1 FLUENT的简介
• 3.2 基本守恒方程
• 3.3 湍流流动模型
• 3.4 多相流模型
• 3.4.1 多相流模型简介
• 3.4.2 多相流模型的选取
• 3.5 几何建模和网格划分
• 3.6 流体参数设置
• 3.6.1 对流换热系数
• 3.6.2 流体的物性参数
• 3.7 边界条件的设定
• 3.8 LNG气化的UDF函数
• 3.9 U形管中的数值求解方法
• 3.10 本章小结
• 第4章 U型管集热器的模拟结果及分析
• 4.1 单根U形管模拟结果分析
• 4.1.1 U型管中流场的分布
• 4.1.2 压力的分布
• 4.1.3 温度场的分布
• 4.1.4 气相组分的分布
• 4.2 U型管模拟结果对比分析
• 4.2.1 入流速度对LNG气化过程的影响
• 4.2.2 太阳辐射度对LNG气化的影响
• 4.2.3 U型管的长度对LNG气化的影响
• 4.2.4 U型管的内径对LNG气化的影响
• 4.3 U型管模拟结果现象的理论分析
• 4.4 U型管集热器的优化分析
• 4.5 本章小结
• 第5章 太阳能综合气化系统
• 5.1 集热器的倾角确定
• 5.2 太阳能气化系统
• 5.2.1 太阳能集热器方式的布置
• 5.2.2 U型管太阳能气化器系统组成
• 5.2.3 太阳能气化器系统工作流程
• 5.3 U型管太阳能集热器的天然气升温过程模拟
• 5.3.1 计算模型的选取
• 5.3.2 流动和热边界条件
• 5.3.3 求解条件的设置
• 5.4 计算后处理分析
• 5.4.1 U型太阳能管温度的分析
• 5.4.2 U型太阳能管速度的分析
• 5.5 太阳能气化系统的经济和节能效益分析
• 5.5.1 太阳能气化系统的年节能量
• 5.5.2 太阳能气化系统的年节能费用
• 5.5.3 太阳能气化系统的环保效益评估
• 5.5.4 实例计算
• 5.6 本章小结
• 第6章 结论与展望
• 6.1 结论
• 6.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 附录