Details

Выпускная квалификационная работа посвящена разработке методики расчёта обледенения криогенного технологического оборудования. Объектом исследования является трубопровод стендера сжиженного природного газа (СПГ) при захолаживании и расхолаживании в условиях обледенения наружной поверхности. Предметом исследования выступает методика численного моделирования обледенения охлаждаемых и криогенных поверхностей с использованием расчётной цепочки FENSAP – DROP3D – ICE3D программного комплекса Ansys FENSAP-ICE и расчёта тепловых режимов в Aspen HYSYS. Целью работы является разработка методики расчёта обледенения трубопровода стендера СПГ, обеспечивающую количественную оценку толщины льда, температуры поверхности, времени захолаживания и расхолаживания, а также подбор толщины теплоизоляции. Методы исследования: методы вычислительной гидродинамики (CFD), численное решение уравнений Навье-Стокса с моделью турбулентности Спаларта-Аллмараса [14], эйлеров подход к описанию переноса и осаждения капель и водяного пара (Vapor Transport), термодинамическая модель Месинджера Майерса [5] для роста льда, расчёт термодинамических свойств реального газа по уравнению состояния Пенга-Робинсона в Aspen HYSYS. Основные результаты: выполнен литературный обзор по моделированию обледенения охлаждаемых и криогенных поверхностей с анализом 52 источников; разработана методика расчёта обледенения, основанная на расчётной цепочке FENSAP – DROP3D – ICE3D и адаптированная к режимам захолаживания и расхолаживания криогенного оборудования; описана программная реализация методики в Ansys FENSAP-ICE 2025 R1 и в Aspen HYSYS V14 Dynamics; выполнена верификация методики на задачах обледенения плоской пластины и цилиндрической поверхности, а также валидация на прямом криогенном эксперименте Piping Technology (среднее отклонение 6,1 %); определены максимальная толщина льда (37 мм для летних условий), требуемая толщина аэрогелевой [39] теплоизоляции (260 мм), время захолаживания (110–165 мин) и расхолаживания (12–40 ч); сформулированы инженерные рекомендации по эксплуатации стендера СПГ. Область применения результатов: расчётное проектирование стендеров СПГ, криогенных трубопроводов, испарителей и арматуры в составе СПГ терминалов и водородных технологических установок; прогнозирование риска ледообразования и подбор теплоизоляции на стадии проектирования. При выполнении работы использовано следующее программное обеспечение: Ansys FENSAP-ICE 2025 (FENSAP, DROP3D, ICE3D), Ansys SpaceClaim, Ansys Meshing, Ansys CFD-Post, Aspen HYSYS V14, MS Office для оформления.

The masters thesis is devoted to the development of a methodology for calculating the icing of cryogenic process equipment. The object of research is the pipeline of a liquefied natural gas (LNG) loading arm during cooldown and warm-up under conditions of external surface icing. The subject of research is a methodology for the numerical simulation of icing on cooled and cryogenic surfaces using the FENSAP – DROP3D – ICE3D computational chain of the Ansys FENSAP-ICE software package and the calculation of thermal regimes in Aspen HYSYS. The aim of the work is to develop a methodology for calculating the icing of an LNG loading arm pipeline that provides a quantitative assessment of ice thickness, surface temperature, and cooldown and warm-up times, as well as the selection of thermal insulation thickness. Research methods: computational fluid dynamics (CFD) methods; numerical solution of the Navier-Stokes equations with the Spalart-Allmaras turbulence model [14]; an Eulerian approach to describing the transport and deposition of droplets and water vapour (Vapor Transport); the Messinger-Myers thermodynamic model [5] for ice growth; and the calculation of real-gas thermodynamic properties using the Peng-Robinson equation of state in Aspen HYSYS. Main results: a literature review on the simulation of icing of cooled and cryogenic surfaces was carried out, analysing 52 sources; a methodology for calculating icing was developed, based on the FENSAP – DROP3D – ICE3D computational chain and adapted to the cooldown and warm-up regimes of cryogenic equipment; the software implementation of the methodology in Ansys FENSAP-ICE 2025 R1 and in Aspen HYSYS V14 was described; the methodology was verified on icing problems for a flat plate and a cylindrical surface, and validated against the direct cryogenic experiment by Piping Technology (mean deviation 6.1 %); the maximum ice thickness (37 mm for summer conditions), the required aerogel thermal insulation thickness (260 mm) [39], and the cooldown (110–165 min) and warm-up (12–40 h) times were determined; engineering recommendations for the operation of the LNG loading arm were formulated. Field of application of the results: the engineering design of LNG loading arms, cryogenic pipelines, vaporizers, and valves within LNG terminals and hydrogen process installations; the prediction of ice-formation risk and the selection of thermal insulation at the design stage. The following software was used in carrying out the work: Ansys FENSAP-ICE 2025 R1 (FENSAP, DROP3D, ICE3D), Ansys SpaceClaim, Ansys Meshing, Ansys CFD-Post, Aspen HYSYS V14, and MS Office for document preparation.