一种FLNG绕管式换热器流动与传热特性研究的试验装置的制作方法

本发明涉及flng绕管式换热器技术领域，尤其涉及一种flng绕管式换热器流动与传热特性研究的试验装置。

背景技术

液化天然气浮式生产储卸装置(lng-fpso)是一种新型的深海和边际气田开发技术，集液化天然气的生产、储存与卸载于一身，简化了深海和边际气田的开发过程，具有成本低、建造周期短、资金回收快等优点。该技术目前已成为海洋工程界的研究热点，处于设计和建造阶段的flng装置多达16个。

主低温换热器是flng生产装置中最重要的换热设备，是液化过程中能量损失的主要来源。绕管式换热器因结构紧凑、操作范围大、易于大型化等优点逐渐成为大型陆上和浮式天然气液化装置的首选主低温换热器。apci使用的c3/mr液化工艺与linde使用的mfr液化工艺都采用了绕管式换热器作为主低温换热器。绕管式换热器属于降膜式蒸发换热器，主要通过液膜在管外的气化来实现与管内介质换热，由于液膜的厚度远小于管道的直径，传热过程中的热边界层较薄，因此相较于浸没式换热器，降膜式蒸发换热器具有传热系数高、冷剂充灌量少、能耗低、换热器体积紧凑等优点。但相较于管内流动，由于没有管壁约束，降膜流动本身具有不稳定性，在不同的流动条件下，管间的液膜流型和管壁的液膜分布特性不同，而降膜流动特性直接影响换热器换热与压降性能。目前绕管式换热器壳侧降膜流动流型划分过于粗糙，换热与压降关联式中未考虑流型影响因素；且受海况影响，flng绕管式换热器壳侧会存在液体偏流进而导致换热不充分，影响液化工艺的性能指标。因此,需要一种flng绕管式换热器流动与传热特性研究的试验装置。

技术实现要素：

本发明的目的是为克服上述现有技术的不足，提供一种flng绕管式换热器流动与传热特性研究的试验装置，其具有结构紧凑、占地面积小等优点，贴近真实绕管式换热器内部结构构造，可观测海况下flng绕管式换热器内部流动状态，测试内部温度与压力变化情况。

为实现上述目的，本发明采用下述技术方案：

一种flng绕管式换热器流动与传热特性研究的试验装置，包括半圆管体，所述半圆管体的上、下两端对应分别设置有上端盖和下端盖；所述半圆管体的轴向两壁侧固定有栅板；所述半圆管体的外侧罩有可视化外壳；所述半圆管体、上端盖、下端盖和栅板以及可视化外壳共同围成一个可视化密闭空间；在所述可视化密闭空间内，所述栅板上靠近中上部依次设置有包围半圆管体的测试盘管、导流装置和液相均布器以及气相均布器；所述液相均布器和气相均布器位于可视化密闭空间外对应分别连接有液相进口和气相进口。

优选地，所述液相均布器包括液相一级均布器和液相二级均布器；所述液相一级均布器与气相均布器结构相同均呈半环形管状结构且其上分别设置有向下的导流孔；所述液相二级均布器也设置有向下的导流孔且罩于液相一级均布器外。

优选地，所述液相二级均布器罩于液相一级均布器外的上部为圆弧结构。

优选地，所述导流装置的下部设置有多个独立扇片，每个扇片对应位于其上面的液相二级均布器一个导流孔。

优选地，所述导流装置的下部设置有一个连续扇片。

优选地，所述栅板上设置有用于固定测试盘管、导流装置和液相均布器以及气相均布器的安装孔。

优选地，所述栅板上安装孔的孔径大小或和孔间距根据测试盘管的管型、管径与管间距不同而不同。

优选地，所述栅板通过插接方式固定于半圆管体的轴向两壁侧上，其便于拆装。

优选地，所述下端盖的底部设置有连通可视化密闭空间的集液槽，所述集液槽连接有气液两相出口。

优选地，所述可视化外壳选用透明玻璃材质，所述液相均布器气液、气相均布器、测试盘管和导流装置均采用不锈钢材质。

本发明提供的flng绕管式换热器流动与传热特性研究的试验装置，气相介质与液相介质分别从气相进口和液相进口进入，并在气相进口和液相进口处一分为二后分别进入气相均布器和液相一级均布器中，其中气相介质从气相均布器的导流孔中均匀喷出，由于气相介质和液相流动特性不同，液相介质首先从液相一级均布器的导流孔中均匀喷出再到达液相二级均布器中并从液相二级均布器的导流孔中均匀喷出最后通过导流装置均布后，气、液相介质流经测试盘管，进而用于研究盘管管外流型及其微观特性。气相介质与液相介质在绕管式换热器内部混合后，在集液槽集液作用下，通过气液两相流出口流出。由于液相流通能力不如气相流通能力，因此设置有集液槽对液体进行收集，便于液体流通，防止绕管式换热器底部积液。同样地，由于液体流通能力较差，实验装置设置有液相一级均布器、液相二级均布器和导流装置。另外通过更换不同的栅板即改变栅板上安装孔的孔径大小或和孔间距，进而可达到调节测试盘管的管型、管径与管间距的作用。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、本发明将传统的水平管外降膜蒸发研究拓展到受海浪条件下缠绕管外低温冷剂降膜流动与换热研究,借助高速摄像系统与晃荡平台系统阐明倾斜晃荡条件下flng绕管式换热器内部流型演化特性。

2、本发明通过对比倾斜晃荡条件下圆盘管与异型盘管管外降膜流流型演化模型，选择最优盘管管型，提高flng绕管式换热器海上适应性。

3、本发明通过对比不同导流形状，优化换热器内部均布器结构，提高flng绕管式换热器海上适应性。

4、本发明借助温度压力测试系统与晃荡平台系统得到倾斜晃荡对flng绕管式换热器壳侧换热与压降的影响规律。

5、本发明的flng绕管式换热器流动与传热特性研究的试验装置中，气液相均布器、测试盘管和导流装置均采用不锈钢制成，可视化外壳采用透明玻璃制成，具有强耐腐蚀性，维修投资小，使用寿命长的特点。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明绕管式换热器试验装置的整体结构示意图；

图2为本发明绕管式换热器试验装置的局部装配示意图；

图3为本发明不同栅板的结构示意图；

图4为本发明气、液相均布器的结构示意图；

图5为本发明液相二级均布器的结构示意图；具体地，(a)为主视图，(b)为附视图，(c)为左视图；

图6为本发明气相均布器和液相一级均布器的结构示意图；具体地，(a)为主视图，(b)为附视图，(c)为左视图；

图7为本发明一种导流装置的结构示意图；具体地，(a)为主视图，(b)为附视图，(c)为左视图；

图8为本发明另一种导流装置的结构示意图；具体地，(a)为主视图，(b)为附视图，(c)为左视图；

图9为本发明液相进口和气相进口的结构示意图；

图10为本发明测试盘管的结构示意图；

图11为本发明可视化外壳的结构示意图；

图12为本发明绕管式换热器试验装置配套高速摄像系统与晃荡平台系统的整体示意图。

其中，1-半圆管体，2-上端盖，3-下端盖，4-栅板，41-安装孔，5-可视化外壳，6-测试盘管，7、7′-导流装置，8-液相均布器，80-液相进口，81-液相一级均布器，82-液相二级均布器，9-气相均布器，90-气相进口，10-集液槽，11-气液两相出口。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

正如背景技术所介绍的，现有技术中对绕管式换热器内部流动状态尤其是海上晃动条件下壳侧内部流动状态研究不足，不明确壳侧内部流型演化规律，为了解决如上的技术问题，本发明提出了一种flng绕管式换热器流动与传热特性研究的试验装置。

如图1-11所示，一种flng绕管式换热器流动与传热特性研究的试验装置，包括半圆管体1，所述半圆管体1的上、下两端对应分别设置有上端盖2和下端盖3；所述半圆管体1的轴向两壁侧固定有栅板4；所述半圆管体1的外侧罩有可视化外壳5；所述半圆管体1、上端盖2、下端盖3和栅板4以及可视化外壳5共同围成一个可视化密闭空间，其用于实验观测管内两相流流型演化；在所述可视化密闭空间内，所述栅板4上靠近中上部依次设置有包围半圆管体1的测试盘管6、导流装置7和液相均布器8以及气相均布器9，其中液相均布器8和气相均布器9位于可视化密闭空间外对应分别连接有液相进口80和气相进口90；所述下端盖3的底部设置有连通可视化密闭空间的集液槽10，所述集液槽10连接有气液两相出口11。

优选地，所述液相均布器8包括液相一级均布器81以及液相二级均布器82；所述液相一级均布器81与气相均布器9结构相同均呈半环形管状结构且其上分别设置有向下的导流孔；所述液相二级均布器82上也设置有向下的导流孔且罩于液相一级均布器81外；所述液相一级均布器81用于实现液相介质的一级均布；所述液相二级均布器82实现液相介质的二级均布。在此需要说明的是：方向“向下”与“半圆管体的上、下两端”方向对应一致。

优选地，所述液相二级均布器82罩于液相一级均布器81外的上部为圆弧结构，其可以尽量减少液相均布器对气相介质流动的影响，方便气体介质流动。在此需要说明的是：方向“上部”与“半圆管体的上、下两端”方向对应一致。

优选地，所述导流装置7的下部设置有多个独立扇片，每个扇片对应位于其上面的液相二级均布器82一个导流孔，如图7所示；或者所述导流装置7′的下部设置有一个连续扇片，如图8所示。所述导流装置7(7′)用于实现液相介质的三级均布。在传统绕管式换热器中降膜流动未加有扇片导流，此处通过比较这两种导流装置均布性能，优化绕管式换热器降膜流动中液膜均布。

具体地，为了使液膜从散热盘管6下部均匀降落，针对降膜流动中的滴状流和柱状流流型，在导流装置7下部设置有多个独立扇片，每个扇片对应位于其上面的液相二级均布器82一个导流孔，方便液膜从管上流过并在下部多个独立扇片处分别汇集并均匀降落，如图7所示；类似的，为了提高降膜流动中扇状流流动的均匀性，在导流装置7′下部设置有一个连续扇片，如图8所示。通过替换改变导流装置7(7′)用于实现液相介质的三级均布。

优选地，所述栅板4上设置有用于固定测试盘管6、导流装置7(7′)和液相均布器8以及气相均布器9的安装孔41，通过更换不同的栅板4即改变栅板4上安装孔41的孔径大小或和孔间距，进而可达到调节测试盘管6的管型、管径与管间距的作用。

优选地，所述栅板4通过插接方式固定于半圆管体1的轴向两壁侧上，其便于拆装。

优选地，所述可视化外壳5选用透明玻璃材质，所述液相均布器气液8、气相均布器9、测试盘管6和导流装置7(7′)均采用不锈钢材质。

本发明提供的flng绕管式换热器流动与传热特性研究的试验装置，气相介质与液相介质分别从气相进口90和液相进口80进入，并在气相进口90和液相进口80处一分为二后分别进入气相均布器9和液相一级均布器81中，其中气相介质从气相均布器9的导流孔中均匀喷出，由于气相介质和液相流动特性不同，液相介质首先从液相一级均布器81的导流孔中均匀喷出再到达液相二级均布器82中并从液相二级均布器82的导流孔中均匀喷出最后通过导流装置7均布后，气、液相介质流经测试盘管6，进而用于研究盘管管外流型及其微观特性。气相介质与液相介质在绕管式换热器内部混合后，在集液槽10集液作用下，通过气液两相流出口11流出。由于液相流通能力不如气相流通能力，因此设置有集液槽10对液体进行收集，便于液体流通，防止绕管式换热器底部积液；同样地，由于液体流通能力较差，实验装置设置有液相一级均布器81、液相二级均布器82和导流装置7(7′)。另外通过更换不同的栅板4即改变栅板4上安装孔41的孔径大小或和孔间距，进而可达到调节测试盘管6的管型、管径与管间距的作用。

基于上述提供的flng绕管式换热器流动与传热特性研究的试验装置，试验时，将绕管式换热器试验装置i和高速摄像系统ii固定在晃荡平台iii上，通过晃荡平台iii来模拟海上倾斜晃荡工况，高速摄像系统ii动态捕捉绕管式换热器实验装置i壳侧流型演化过程，如图12所示。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“中”、“下”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。