液化天然气装备设计技术：LNG微通道换热器卷

在LNG工业领域，大力发展LNG产业，提高天然气能源在消费中的比例是调整我国能源结构的重要途径，液化天然气既是天然气远洋运输的主要方法，也是天然气调峰的重要手段。随着国内众多LNG工厂的相继投产及沿海LNG接收终端的建设，我国LNG工业进入了高速发展时期，与之相关连的微通道换热器装备技术也得到相应快速发展。 ★微通道换热器简介、制造方法、应用案例、传热特性 ★氢液化多股流微通道换热器设计计算 ★氢液化多股流微通道换热器传热及流场数值模拟 ★级联式PCHE型LNG微通道换热器设计计算 ★10万方DMR双混合制冷剂LNG微通道换热器设计计算 ★10万方DMR双混合制冷剂LNG微通道换热器数值模拟 ★C3MR丙烷预冷混合制冷剂LNG微通道换热器设计计算 ★丙烷预冷混合制冷剂LNG微通道换热器数值模拟 ★闭式LNG微通道主液化装备设计计算 ★闭式LNG微通道主液化装备数值模拟

LNG 微通道换热器（PCHE）主要用于30×104m3/d 以下液化天然气（LNG）、液化氢气（LH2）系统，是该系统中的核心设备，一般达到30×104m3/d 以上时，可采用多套并联的模块化办法，实现LNG 或LH2 系统的大型化。基于微通道换热器的液化工艺也是目前非常流行的中小型液化系统的主液化工艺。在LNG 领域，小型LNG 液化工艺系统可采用以微通道换热器为主液化装备的PCHE 型LNG 液化工艺技术，其具有集约化程度高、制冷效率高、占地面积小及非常便于自动化管理等优势，已成为30×104m3/d 以下LNG 液化工艺装备领域内的可替代选择。
本书围绕1 类PCHE 型LH2 液化工艺及4 类PCHE 型LNG 液化工艺研究开发LNG 微通道换热器，主要包括当前国际上流行的LH2、LNG 液化工艺流程用各类型微通道换热器设计计算过程，如30×104m3/d LH2 多股流微通道换热器、级联式LNG 微通道换热器、10×104m3/d DMR 双混合制冷剂LNG 微通道换热器、丙烷预冷混合制冷剂LNG 微通道换热器、C3/MR 闭式LNG 微通道换热器等设计计算。其内容也涉及4 类较典型的LNG 低温液化工艺流程及1 类LH2 低温液化工艺流程等设计计算技术，可为LNG 液化及LH2 液化等关键环节中所涉及的主要液化工艺及相应微通道换热器的设计计算提供可参考样例，并有利于推进LNG 系列微通道换热器的标准化及相应LNG 液化工艺的国产化研发进程。
本书主要针对目前国际上流行的5 类低温液化工艺系统及主液化装备的设计计算技术进行系统的研究与开发，主要研究30×104m3/d 以下LNG 液化领域内具有代表性的LNG 微通道换热器的设计计算方法，主要涵盖不同类型LNG 微通道换热器计算过程及制冷剂运算法则，也是当前国际上的主流PCHE 型LNG 液化工艺主设备。本书中4 种LNG 微通道换热器设计计算方法及1 种LH2 微通道换热器设计计算方法属低温装备领域内目前流行的具有一定技术设计难度的系统工艺主设备核心技术，主要应用于LNG、LH2、LPG、煤化工、石油化工、低温制冷等领域，从工艺基础研发及设计技术等方面来讲均已成熟，已能够推进PCHE 型LNG 液化及LH2 液化主设备的设计计算过程及系列液化工艺的设计计算进程。
本书第1章为绪论部分，主要讲述LNG 微通道换热器的特点及国内外发展现状等。
第2章主要讲述氢液化多股流微通道换热器设计计算，内容全面，不但包括液化工艺中涉及的微通道主换热器的设计计算过程，而且还包括氢液化工艺的开发设计计算方法及过程。
第3章主要讲述氢液化多股流微通道换热器传热及流场数值模拟。
第4章及后续章节主要讲述级联式LNG 微通道换热器设计计算、10×104m3/d DMR 双混合制冷剂LNG 微通道换热器设计计算、10×104m3/d DMR 双混合制冷剂LNG 微通道换热器数值模拟、C3/MR 丙烷预冷混合制冷剂LNG 微通道换热器设计计算、丙烷预冷混合制冷剂LNG 微通道换热器数值模拟、闭式LNG 微通道主液化装备设计计算、闭式LNG微通道主液化装备数值模拟等，以便为LNG 液化装备领域内的工程技术人员及研发人员提供必要的参考。
本书共分10章，其中，第1、2、3、4、5章由张周卫负责撰写并编辑整理，第6、7章由车生文负责撰写，第8、9章由汪雅红负责撰写，第10章由盛日昕负责撰写，代德山、张超、韩孔良、冯瑞康、牛旭转等参与了全书的编辑整理工作。全书由张周卫统稿并定稿。刘炀、李婉聪、何斌、罗燚、赵晶、王玉林、刘世怡、彭绎卫、沈煌杰等参与了各章节的撰写与编排工作，荣欣、任少伟、孙凯旋等参与了全书的编排及校正等工作。
本书得到甘肃省高等学校产业支撑计划项目（编号：2020C-22）、甘肃省重点人才项目（编号：26600101）、甘肃省拔尖领军人才项目（编号：6660030203）等支持。
本书按照目前所列4 种LNG 液化工艺流程及1 种LH2 液化工艺流程的设计计算进度，重点列出5 种典型的且具有代表性的微通道换热器进行研究开发，总结设计计算方法，并与相关行业内的研究开发人员共同分享。
由于著者水平及时间有限，书中内容难免有疏漏之处，希望广大读者批评指正。

兰州交通大学
甘肃中远能源动力工程有限公司
张周卫 车生文 汪雅红 盛日昕

张周卫，国家“万人计划”领军人才，国家科技创新创业人才，国家科技专家库专家，博士后，动力工程及工程热物理（制冷及低温工程）博士，毕业于西安交通大学，现为兰州交通大学研究院副院长，教授，高级工程师。主要从事空间低温制冷技术、压缩机械与真空低温设备等过程控制装备、LNG过程控制装备、多股流缠绕管式换热装备、螺旋压缩膨胀制冷机等研究。
先后参与国家级项目20多项，主持国家自然基金及国家创新基金等共6项，甘肃省重点人才项目等8项，与企业合作项目4项等；主持申报发明专利50多项，发表论文30多篇，出版学术专著10部共600多万字等。先后带领团队荣获国家级银奖1项，省部级奖励10项，地厅级奖励9项。2013年入选江苏省“东疆英才”扶持计划。2014年入选“国家创新人才推进计划”“科技创新创业人才”，2015年入选国家科技专家库专家，2016年入选国家“万人计划”领军人才，2019年入选甘肃省领军人才第一层次，2020年入选“长江学者”特聘教授评委。

本书共分为10章，主要针对目前国际上流行的5 类低温液化工艺系统及主液化装备的设计计算技术进行系统的研究与开发，涉及30×104m3/d 以下LNG 液化领域内的微通道换热器的设计计算方法，主要涵盖不同类型LNG 微通道换热器计算过程及制冷剂运算法则，也是当前国际上的主流LNG 液化工艺及PCHE 型主设备。本书中4 种LNG 微通道换热器设计计算方法及1 种LH2 微通道换热器设计计算方法属低温装备领域内目前流行的具有一定技术设计难度的系统工艺及主设备核心技术，主要应用于LNG、LH2、LPG、煤化工、石油化工、低温制冷等领域，从工艺基础研发及设计技术等方面来讲均已成熟，已能够推进PCHE 型LNG 液化及LH2 液化主设备的设计计算过程及系列液化工艺的设计计算进程。
本书可为LNG、天然气、LH2、化工机械、制冷及低温工程、石油化工、动力工程及工程热物理领域内的研究人员、设计人员、工程技术人员等提供重要参考。

第1章 绪论
1.1 微通道换热器简介  001
1.2 微通道换热器的制造方法  002
1.3 微通道换热器的应用案例  005
1.4 微通道换热器的传热特性  005
1.5 本章小结  007
参考文献  007

第2章 氢液化多股流微通道换热器设计计算
2.1 氢液化流程设计  011
2.1.1 制冷剂参数确定  011
2.1.2 微通道换热器氢液化流程  011
2.1.3 微通道换热器制冷剂系统  011
2.1.4 各状态点参数表  011
2.2 氢液化流程工艺计算  014
2.2.1 氢气膨胀制冷循环  014
2.2.2 氮气膨胀制冷循环  019
2.2.3 换热器热平衡验算  022
2.2.4 温熵图与压焓图绘制  024
2.2.5 氢液化COP 计算过程  024
2.3 微通道换热器工艺计算过程  028
2.3.1 氢1 换热器  028
2.3.2 氢2 换热器  036
2.3.3 氢3 换热器  039
2.3.4 氢4 换热器  041
2.3.5 氢5 换热器  044
2.3.6 氮1 换热器  046
2.3.7 氮2 换热器  049
2.3.8 氮3 换热器  051
2.4 本章小结  054
参考文献  054

第3章 氢液化多股流微通道换热器传热及流场数值模拟
3.1 氢液化流程设计  057
3.1.1 微通道换热器中氢气液化  057
3.1.2 氢液化流程的工艺设计  058
3.1.3 氢液化流程工艺计算过程  062
3.1.4 温熵图和压焓图的绘制  068
3.1.5 氢气液化过程的COP 计算  069
3.2 微通道换热器工艺计算过程  072
3.2.1 流道数计算与排布  072
3.2.2 流体参数计算  076
3.2.3 板束长度计算  080
3.3 微通道换热器应力模拟与分析  085
3.3.1 Solidworks 软件简介  085
3.3.2 微通道换热器位移模拟及分析  088
3.3.3 微通道换热器应力模拟及分析  092
3.3.4 微通道换热器应变模拟及分析  095
3.4 微通道换热器温度场模拟分析  098
3.5 本章小结  102
参考文献  102

第4章 级联式LNG 微通道换热器设计计算
4.1 微通道换热器的工艺计算  104
4.1.1 微通道换热器流程简介  104
4.1.2 微通道换热器冷量计算  105
4.2 一级换热器参数及工艺计算  113
4.2.1 一级换热器流体参数计算  113
4.2.2 一级换热器工艺设计计算  114
4.2.3 一级换热器流道长度计算  118
4.2.4 一级换热器压力损失计算  121
4.3 二级换热器参数及工艺计算  124
4.3.1 二级换热器流体参数计算  124
4.3.2 二级换热器工艺设计计算  124
4.3.3 二级换热器流道长度计算  127
4.3.4 二级换热器压力损失计算  128
4.4 三级换热器参数及工艺计算  130
4.4.1 三级换热器流体参数计算  130
4.4.2 三级换热器工艺设计计算  130
4.4.3 三级换热器流道长度计算  133
4.4.4 三级换热器压力损失计算  134
4.5 本章小结  136
参考文献  137

第5章 10×104m3/d DMR 双混合制冷剂LNG 微通道换热器设计计算
5.1 液化天然气工艺流程设计  138
5.1.1 液化天然气工艺流程  138
5.1.2 混合制冷剂参数确定  140
5.1.3 各状态点参数确定  140
5.2 微通道换热器设计计算  141
5.2.1 换热器工艺流程计算  141
5.2.2 制冷剂各组分质量流量  144
5.2.3 各级制冷器的热量平衡  145
5.2.4 各制冷剂温熵图的绘制  146
5.2.5 各级换热器COP 计算过程  147
5.3 微通道换热器工艺计算过程  148
5.3.1 一级换热器  148
5.3.2 二级换热器  152
5.3.3 三级换热器  155
5.4 本章小结  158
参考文献  158

第6章 10×104m3/d DMR 双混合制冷剂LNG 微通道换热器数值模拟
6.1 DMR 微通道换热器的工艺流程  160
6.2 DMR 微通道换热器工艺计算  161
6.2.1 一级设备预冷制冷计算  161
6.2.2 二级设备预冷制冷计算  162
6.2.3 三级设备预冷制冷计算  162
6.3 相关专业软件介绍  163
6.3.1 REFPROP 软件介绍  163
6.3.2 Solidworks 软件介绍  165
6.3.3 Ansys 软件介绍  165
6.4 数值模拟相关结果分析  165
6.4.1 一级换热器数值模拟结果分析  165
6.4.2 二级换热器数值模拟结果分析  167
6.4.3 三级换热器数值模拟结果分析  169
6.5 本章小结  172
参考文献  172

第7章 C3/MR 丙烷预冷混合制冷剂LNG 微通道换热器设计计算
7.1 LNG 微通道换热器的工艺计算  173
7.1.1 混合制冷剂参数  173
7.1.2 各状态点参数  175
7.1.3 质量流量的计算  176
7.1.4 流道数的计算  180
7.1.5 微通道换热器相关参数计算  184
7.1.6 换热器换热面积计算  197
7.1.7 压力损失计算  208
7.2 微通道换热器的结构设计  213
7.2.1 封头结构设计  213
7.2.2 液压试验  214
7.2.3 接管确定  218
7.3 本章小结  220
参考文献  221

第8章 丙烷预冷混合制冷剂LNG 微通道换热器数值模拟
8.1 微通道换热器质量流量的计算  223
8.1.1 深冷过程质量流量的计算  223
8.1.2 三级节流过程质量流量的计算  224
8.1.3 二级节流过程质量流量的计算  225
8.1.4 一级节流过程质量流量的计算  225
8.2 微通道换热器板束长度的计算  227
8.2.1 一级节流过程板束长度的计算  227
8.2.2 二级节流过程板束长度的计算  231
8.2.3 三级节流过程板束长度的计算  235
8.2.4 深冷过程板束长度的计算  239
8.3 微通道换热器静应力数值模拟  242
8.3.1 微通道换热器各级节应力分析  242
8.3.2 微通道换热器各级静态位移模拟  244
8.3.3 微通道换热器各级静态应变模拟  245
8.4 微通道换热器温度场数值模拟  247
8.4.1 一级节流过程数值模拟  247
8.4.2 二级节流过程数值模拟  247
8.4.3 三级节流过程数值模拟  248
8.4.4 深冷过程数值模拟  248
8.5 本章小结  249
参考文献  250

第9章 闭式LNG 微通道主液化装备设计计算
9.1 微通道换热器基本概述  251
9.2 微通道换热器的工艺计算  251
9.2.1 混合制冷剂参数确定  253
9.2.2 各状态点参数  253
9.3 液化天然气流程工艺计算  255
9.3.1 混合制冷剂制冷循环  255
9.3.2 制冷剂各组分的质量流量  258
9.3.3 换热器热平衡验算  259
9.4 天然气液化COP 计算过程  260
9.5 微通道换热器工艺计算过程  260
9.5.1 换热器1  261
9.5.2 换热器2  265
9.5.3 换热器3  267
9.5.4 换热器4  269
9.6 本章小结  271
参考文献  271

第10章 闭式LNG 微通道主液化装备数值模拟
10.1 微通道换热器简介  272
10.2 天然气液化工艺流程  273
10.2.1 混合制冷剂参数确定  273
10.2.2 制冷剂各组分质量流量  277
10.2.3 天然气液化COP 计算过程  279
10.3 微通道换热器设计计算  280
10.3.1 微通道换热器流道排布  280
10.3.2 微通道换热器流体参数计算  283
10.3.3 微通道换热器板束长度计算  285
10.4 数值模拟相关结果分析  290
10.4.1 一级换热器数值模拟分析  290
10.4.2 二级换热器数值模拟分析  292
10.4.3 三级换热器数值模拟分析  296
10.4.4 四级换热器数值模拟分析  299
10.5 本章小结  302
参考文献  302