螺旋折流板管殼式換熱器內LNG混合介質流動冷凝特性仿真平臺開發及影響因素分析

黃慶楠，陳杰，楊文剛，羅婷婷，丁國良，胡海濤

（1-上海交通大學制冷與低溫工程研究所，上海 200240，2-中海石油氣電集團技術研發中心，北京 100028）

螺旋折流板管殼式換熱器內LNG混合介質流動冷凝特性仿真平臺開發及影響因素分析

黃慶楠*1，陳杰2，楊文剛2，羅婷婷2，丁國良1，胡海濤1

（1-上海交通大學制冷與低溫工程研究所，上海 200240，2-中海石油氣電集團技術研發中心，北京 100028）

螺旋折流板管殼式換熱器用于冷凝混合烴類介質時，會產生冷凝不均導致設備效率降低等問題；但是由于換熱器體積和能耗巨大，難以通過大量的實驗測試得出換熱器性能的規律。為了了解管殼式換熱器內LNG混合介質流動冷凝特性，本文建立了一種用于螺旋折流板管殼式換熱器內LNG混合介質流動冷凝的仿真模型。該模型考慮了流動過程中的傳熱傳質及氣相分率的變化，體現了換熱器結構、螺旋折流板參數及工質物性等各種因素對流動和傳熱的影響，同時保證仿真的計算速度。此外，采用該模型開發的仿真平臺具有友好的用戶界面，方便用戶輸入仿真參數，準確快捷地對換熱器性能進行仿真，并以形象直觀的方式輸出仿真結果。基于開發的仿真平臺，對螺旋折流板管殼式換熱器內LNG混合介質流動冷凝特性的結構影響因素進行了分析，給出了最佳螺旋角的推薦值。

海水換熱器；殼管式；螺旋折流板；仿真平臺

0 引言

在海上天然氣綜合開發利用過程中，換熱器是液化天然氣（LNG）流程中不可缺少的重要組件[1]。螺旋折流板管殼式換熱器，作為一種特殊的管殼式換熱器，不但具備一般管殼式換熱器的結構簡單、操作可靠、耐高溫高壓的優點，還具有換熱系數大、流動壓降小等特點[2]。并且海水取用方便，可以作為冷卻劑為天然氣的液化預冷提供穩定的冷源。因此海水冷卻的螺旋折流板殼管式換熱器具有廣闊的應用潛力[3-4]。

螺旋折流板海水換熱器用于天然氣液化過程中，隨著殼側天然氣冷凝過程的進行，組分不斷變化；同時由于殼側擋板作用，氣液兩相流體在殼側流動，其流型和換熱特性受到運行工況、運行負荷、換熱器結構的影響[5]。這些復雜的換熱特性，與已有用于其他用途的管殼式換熱器不同，如果仍然簡單借鑒已有的管殼式換熱器研究經驗，可能會導致冷凝不均勻失效的問題[6]。因此，需要對螺旋折流板管殼式換熱器內LNG混合介質流動冷凝特性開展研究。

已有文獻[7-14]對螺旋折流板換熱器殼側流動換熱進行了各類模擬和實驗研究，證明了與普通的弓形折流板換熱器相比，螺旋折流板換熱器具有更好的綜合換熱性能，同時螺旋結構能夠使殼側流場均勻化、減小壓降。但目前國內外針對螺旋折流板式管殼式換熱器的實驗研究[15-26]中，多將水作為管側冷流體，將水或油作為殼側熱流體，殼側為純工質且沒有相變，且沒有殼側發生相變情況下換熱及壓降關聯式可供參考。已有的研究成果不能拓展到螺旋折流板管殼式換熱器內LNG混合介質流動冷凝特性的預測。而目前通用的主流換熱器設計軟件中，Aspen EDR (Shell & Tube) 等軟件只能處理普通折流板，不能針對螺旋板進行仿真；只有HTRI可對螺旋板換熱器的核算和模擬計算，但其在兩相區的關聯式多來源CFD模擬，且其計算方法尚未公開。到目前為止，尚無關于螺旋折流板管殼式換熱器內LNG混合介質流動冷凝特性的研究報道。

由于LNG螺旋折流板管殼式換熱器體積和運行能耗巨大，結構參數復雜，并且可燃的LNG混合介質對設備有防爆要求，若直接進行實驗研究，需要耗費巨大時間和經費，難以通過實驗測試得出換熱器性能的規律。而據文獻[27]，仿真方法投入少、運算快、安全性高，能夠大幅度節省時間和經濟成本，可以用于螺旋折流板管殼式換熱器內LNG混合介質流動冷凝特性的研究。

本文的目的是開發螺旋折流板管殼式換熱器內LNG混合介質流動冷凝特性仿真平臺，并基于仿真平臺分析該類型換熱器的性能影響因素，給出推薦的最優換熱器結構參數。

1 仿真對象分析與仿真平臺框架設計

海水由于其腐蝕性且容易結垢，不適宜在殼程流動，因此設計海水在管程內流動；LNG混合介質由于其不易結垢，要求流動壓降小，LNG在殼程流動冷凝，如圖1所示。

螺旋折流板管殼式換熱器殼側折流板呈螺旋型，使流體呈螺旋狀流動。理想的折流板應布置為連續的螺旋曲面，但由于連續螺旋曲面加工困難，且換熱管與折流板的配合也很難實現。為了便于加工，可采用一系列的扇形平面板替代連續曲面，通過扇形平面依次連接，在殼側形成近似螺旋的搭接式螺旋折流板。搭接式折流板根據交叉接觸點位置的不同分為連續搭接和交錯搭接兩種布置方式。螺旋折流板的主要結構參數包括螺距和螺旋角，如圖1所示。

圖1 螺旋折流板主要結構參數

殼側的LNG混合介質在流動冷凝過程中，不同組份開始冷凝的溫度不同，并伴隨著復雜的傳熱傳質過程。同時，折流板的螺旋結構迫使LNG混合介質在直徑數米的殼體內螺旋式向前流動，這進一步加劇了其冷凝流動特性的復雜性。由于包括混合介質組份、物性及換熱器結構在內的眾多因素均會影響LNG混合介質的流動冷凝特性，因此無法通過實驗研究對這些因素逐個進行測試，需要建立仿真平臺，對不同的影響因素進行分析。仿真平臺的框架如圖2所示，主要包括輸入模塊、計算模塊和輸出模塊。

輸入模塊便于用戶輸入或導入必要的參數，計算模塊可根據用戶的設置進行設計或校核計算，最終通過輸出模塊以圖表、表格及文件等多種形式顯示結構參數及熱力參數。仿真平臺具有設計和校核的功能。

開發圖2所示的螺旋折流板海水換熱器仿真平臺，最關鍵的是計算模塊中的仿真方法、相變流動熱質傳遞模型的確定，分別介紹如下。

圖2 螺旋折流板海水換熱器仿真平臺的框架設計

2 基于分段參數的仿真快速計算方法

2.1 換熱段的劃分

螺旋折流板海水換熱器殼側的熱交換過程中伴隨著傳質，且冷凝過程氣相分率一直發生變化，使得冷凝器內流體的物性也一直變化。如果采用一個定性溫度下的物性來計算整個冷凝器的傳熱和壓降，必然跟實際情況相差很大。為了準確計算傳熱系數和壓降，對換熱器采用分段計算，每段均按照該段的物性來設計計算。

根據螺旋折流板海水換熱器自身的結構特點，總體上按照殼側溫度或折流板的螺旋結構進行分段。對于發生相變的區段，則根據其狀態將該段在分為2段，如圖3所示。分別將冷凝過程中存在的過熱區和過冷去按照顯熱單獨計算，在其余兩相區的傳熱計算中，取每一小段內氣相分率的平均值作為該段氣相分率值，計算時采用該氣相分率對應的物性參數，并選擇對應的計算關聯式。在計算時，先計算每一段的冷凝液膜傳熱系數。按照熱阻分配法計算出每一小段的綜合冷凝膜傳熱系數，結合管內外表面傳熱系數和管壁熱阻計算出每一段的總傳熱系數；然后計算每一小段的有效平均溫差，并根據傳熱方程式計算出每一小段的換熱面積（設計計算）或出口狀態（仿真計算）。

圖3 換熱段劃分示意圖

2.2 設計模式的計算方法

在設計模式中，需要在給定的熱力參數及部分結構參數條件下，考慮允許壓降、長徑比等限制條件，設計出滿足要求的換熱器結構。具體步驟如圖4所示，包括：

1）根據給定一側的進出口狀態及流量確定換熱器總負荷，并得到另一側的狀態及流量；

2）根據殼側進出口參數計算進出口狀態，確定物性參數；

3）根據所需的負荷、管的排列方式、螺旋折流板結構等參數，初步計算換熱面積；

4）基于初步設計計算結果，依照3.1中介紹的方法，進行換熱段的劃分；

5）依次計算各換熱段的換熱系數、壓降、換熱面積及長度；

6）對各段的壓降累加，得到總壓降；

7）當總壓降滿足要求時，對每個換熱段的換熱面積和長度進行相加，求出總的換熱面積和長度。若不滿足要求，則重新進行設計，重復步驟3～步驟7，直至滿足設計要求。

圖4 設計模式的計算方法

2.3 校核模式的計算方法

在校核模式中，需要針對給定結構參數條件，檢驗設計是否滿足能夠滿足負荷的要求。具體步驟如圖5所示，包括：

圖5 校核模式的計算方法

1）判斷殼側工質的入口狀態，并依照3.1中介紹的方法對冷凝器進行分段；

2）根據殼側進出口參數計算進出口狀態，確定物性參數；

3）假定管側的出口溫度；

4）從冷劑入口處開始，根據質量和能量的守恒關系，依次計算各換熱段的換熱系數、壓降及該段的管側入口參數；

5）計算出整個冷凝器所有換熱段的溫度，得到換熱器的管側入口溫度；

6）比較換熱器管側入口溫度的假定值和計算值，如其誤差滿足軟件設定要求，則對每個換熱段的換熱面積和壓降進行相加。若不滿足要求，則重新假設管側的出口溫度，重復步驟3～步驟6，直至滿足設計要求。

3 螺旋折流板海水換熱器流動換熱模型

3.1 殼側流動換熱模型

目前，已公開的針對螺旋折流板殼側流動換熱和壓降關聯式[15-20]，是針對某種螺旋折流板參數開發的，如表1所示。由于影響螺旋折流板換熱器流動換熱性能的熱力和結構參數眾多，而已有的這些關聯式只考慮了單一的因素，無法拓展到LNG螺旋折流板換熱器性能的預測。

表1 已有的螺旋折流板管殼式換熱器殼側換熱及壓降關聯式

STEHLIK等[21]將螺旋折流板管殼式換熱器的換熱和壓降關聯式與傳統弓形折流板換熱器進行了比較，總結出殼側流動換熱和壓降的影響因子，用以進行關聯式的修正。本文在STEHLIK[21]關聯式基礎上，通過實際運行試驗數據，對傳統管殼式換熱器的殼側流動換熱和壓降關聯式進行修正，得出所需的LNG與海水換熱的熱質傳遞預測模型。

1）換熱關聯式

殼側單相區的換熱系數：

殼側兩相區換熱系數為：

式中：

αo——殼側換熱系數；

ρR,sat,l，ρR,sat,g——飽和氣和飽和液態的密度；

λR,sat,l，μR,sat,l——飽和液的導熱系數和動力粘度；

hlg——潛熱；

do——換熱管的外徑；

q——混合工質質量流量；

Y2、Y3、Y4、Y9、Y10——熱流體物性、管束排布、泄漏旁路以及C流路旁路各項校正因子[21]。

2）壓降關聯式

對于單相流體，單位螺距長度產生的其壓降可以通過理想的壓降與各修正因子相乘得到。

式中：

fshell——摩擦系數；

Ds——外殼內徑；

De——等效直徑；

ρ——工質密度；

Z2、Z3、Z6、Z7——熱流體物性、管束排布、泄漏旁路以及C流路旁路各項校正因子[21]；

φ2——兩相系數；

x——氣相分率；

ρG、ρL——氣相和液相的密度；

μG、μL——氣相和液相的動力粘度。

3.2 管側流動換熱模型

1）管側換熱關聯式

管側海水在管內受迫流動，可按紊流區換熱公式計算[28-29]：

式中：

αi——管側換熱系數；

w——水的流速；

di——換熱管內徑。

2）管側壓降

式中：

ΔPL——流體流過直管因摩擦阻力引起的壓力降；

ΔPr——流體經過回轉彎中因摩擦阻力引起的壓力降；

ΔPn——流體流經管箱進出口的壓力降；

Ft——結構校正因素，無因次；

Np——管程數。

3.3 換熱器總換熱系數

通過以上模型求得兩側換熱器系數后，可通過式(8)求得總換熱系數k：

式中：

αi——管側換熱系數；

αo——殼側換熱系數；

di——換熱管內徑；

do——換熱管的外徑；

ri——換熱管內結垢熱阻；

δt——換熱管壁厚；

λt——換熱管材料導熱系數。

4 仿真平臺的數據文件界面設計

開發螺旋折流板換熱器仿真計算機平臺，需滿足兩點條件：1）程序需準確、快速地完成熱力計算中的迭代計算，適應大量運算及調用；2）程序需提供便于用戶輸入、存儲、閱讀的數據處理及存儲功能。

本文結合Fortran和VB各自的特點進行仿真平臺開發。Fortran語言是一門適合科學計算的程序設計語言，在工程領域被廣泛應用，適用于底層升序編寫；VB的界面設計、數據管理等功能十分強大，適用于界面開發及數據處理。本文將二者結合使用，進行Fortran和VB的混合編程，開發了界面友好的交互式仿真平臺。利用VB的Shell函數對Fortran底層exe程序進行直接調用， 實現了數據文件的交互共享，如圖6所示。

圖6 數據文件的交互共享

5 仿真平臺的精度驗證

本文選取了2臺實際投產螺旋折流板換熱器的運行數據對仿真平臺進行精度驗證，結果如表2所示。換熱系數和壓降的誤差均在10%以內，滿足仿真計算的精度要求。

表2 仿真結果與運行數據對比

6 基于仿真平臺的換熱器殼側結構對性能的影響分析

LNG螺旋折流板換熱器性能的影響因素眾多，無法通過大量的實驗獲取這些影響因素的變化規律。因此，本文通過開發的仿真平臺對影響因素進行分析，用于指導實際換熱器的設計。

殼側結構主要包括螺距、殼體內徑、螺旋角。而據文獻[10]結果表明，螺旋折流板的螺距和殼體內徑，也可以綜合反映在螺旋折流板的螺旋角上。因此，螺旋角是影響螺旋折流板換熱器殼程熱工性能的最重要參數之一，也是目前研究最多的結構參數。本文選取換熱器30°布管、以單殼程、單管程的連續搭接式螺旋折板結構換熱器為例進行計算，以常用的甲烷與乙烷混合工質為管程流體，來分析流量、螺旋角、殼體直徑等因素的影響規律。

6.1 殼程換熱系數隨流量的變化

由圖7可以看出，螺旋角相同時，螺旋折流板換熱器的殼程換熱系數隨著流量的增大而增大。流量相同時，螺旋折流板式換熱器殼程換熱系數隨著角度的減小而增大。

圖7 500 mm殼徑下換熱系數隨螺旋角的變化曲線

6.2 單位壓降下殼程換熱系數隨流量的變化

從圖8可以看出，螺旋角度一定時，單位壓降下的殼程換熱系數隨著殼程流量的增加而降低。一定流量下，螺旋角小于23°時隨著角度的增大單位壓降下的換熱系數不斷增大；大于23°時隨著角度的增大單位壓降下的換熱系數不斷減小。可見殼徑為500 mm時最佳螺旋角23°。流量對最佳螺旋角的大小無明顯影響。

圖8 500 mm殼徑下單位壓降換熱系數隨螺旋角的變化曲線

6.3 最佳螺旋角隨殼體直徑的變化

圖9中，一定流量下，螺旋角小于19°時隨著角度的增大單位壓降下的換熱系數增大；大于19°時隨著角度的增大單位壓降下的換熱系數不斷減小。可見殼徑為500 mm時最佳螺旋角19°。流量對最佳螺旋角的大小無明顯影響。

圖9 1,000 mm殼徑下單位壓降換熱系數隨螺旋角的變化曲線

用同樣的方法計算了殼徑分別為500 mm、600 mm、700 mm、800 mm、900 mm、1,000 mm的螺旋折流板式換熱器，發現均有此規律，其各自對應的螺旋角見表3，隨著殼徑的增大，最佳螺旋角有下降趨勢。

表3 不同殼徑的最佳螺旋角

7 結論

本文通過建立螺旋折流板管殼式換熱器殼側和管側流動冷凝模型，基于分段參數法，開發了螺旋折流板換熱器仿真平臺，并基于該平臺分析了結構對流動冷凝特性的影響，所得結論如下：

1）基于分段參數模型的螺旋折流板換熱器熱力設計方法適用于螺旋折流板管殼式換熱器的設計及校核計算；

2）使用結構影響因子和兩相因子修正的殼側流動換熱模型，能夠實現LNG混合介質殼側流動冷凝仿真計算；

3）基于仿真平臺分析得到設定工況下，最佳螺旋角分布在22°附近，且隨著殼徑的增大有下降趨勢；流量對最佳螺旋角無明顯影響。

[1] 陳永東, 陳學東. LNG成套裝置換熱器關鍵技術分析[J]. 天然氣工業, 2010, 30(1): 96-100.

[2] 宋小平, 裴志中. 防短路螺旋折流板管殼式換熱器[J].石油化工設備技術, 2007, 28(3):13-14.

[3] 楊文剛, 陳杰, 浦暉. 海水換熱器在大型LNG工廠的應用[J]. 制冷技術, 2013, 33(2): 45-47.

[4] 史學增, 王偉勇, 張定才. 船用冷凝器冷凝強化管換熱性能研究[J]. 制冷技術, 2008, 28(1): 11-15.

[5] 徐斌, 王啟杰. 換熱器各流路對殼側氣液兩相流動特性的影響[J]. 熱科學與技術, 2002, 1(1): 52-59.

[6] 章喜. 螺旋折流板換熱器的性能研究及結構優化[D].上海: 華東理工大學, 2012.

[7] 汲水, 杜文靜, 程林. 連續螺旋折流板換熱器殼側傳熱與流動特性的數值研究[J]. 中國電機工程學報, 2009, 29(32): 66-70.

[8] 王晨, 桑芝富. 不同螺旋折流板換熱器殼側流動的數值研究[J]. 石油機械, 2008, 36(10): 12-15.

[9] 張少維, 桑芝富. 螺旋折流板換熱器殼程流體流動的數值模擬[J]. 南京工業大學學報: 自然科學版, 2004, 26(2): 81-84.

[10] 袁曉豆. 螺旋折流板換熱器殼程傳熱與流動性能的數值研究及結構優化[D]. 濟南: 山東大學, 2012.

[11] 王鵬. 螺旋折流板管殼式換熱器殼程流動與傳熱性能研究[D]. 濟南: 山東大學, 2012.

[12] SHEN R, FENG X, GAO X. Mathematical Model and Numerical Simulation of Helical Baffles Heat Exchanger[J]. Journal of Enhanced Heat Transfer, 2004, 11(4): 461-460.

[13] ZHANG J F, HE Y L, TAO W Q. 3D numerical simulation on shell-and-tube heat exchangers with middle-overlapped helical baffles and continuous baffles-Part II: Simulation results of periodic model and comparison between continuous and noncontinuous helical baffles[J]. International Journal of Heat and Mass Transfer, 2009, 52(23): 5381-5389.

[14] 曹興. 連續與搭接螺旋折流板換熱器理論分析與實驗研究[D]. 濟南: 山東大學, 2012.

[15] LEI Y G, HE Y L, CHU P, et al. Design and optimization of heat exchangers with helical baffles[J]. Chemical Engineering Science, 2008, 63(17): 4386-4395.

[16] JAFARI NASR M R, SHAFEGHAT A. Fluid flow analysis and extension of rapid design algorithm for helical baffle heat exchangers[J]. Applied Thermal Engineering, 2008, 28(11): 1324-1332.

[17] XIE G N, WANG Q W, ZENG M, et al. Heat transfer analysis for shell-and-tube heat exchangers with experimental data by artificial neural networks approach[J]. Applied Thermal Engineering, 2007, 27(5): 1096-1104.

[18] 李彥晴, 陳亞平, 劉化瑾, 等. 三分螺旋折流板換熱器殼側換熱系數的關聯式[J]. 東南大學學報: 自然科學版, 2010, 40(1): 149-153.

[19] 潘振, 陳保東. 螺旋折流板換熱器傳熱系數與壓降實驗研究[J]. 石油化工設備, 2006, 35(5): 5-7.

[20] 黃闊, 鄧先和, 陳慶輝. 螺旋折流板管殼式換熱器殼程局部傳熱及流阻[J]. 化學工程, 2008, 36(2): 41-51.

[21] STEHLIK P, NěM?ANSKY J, KRAL D, et al. Comparison of correction factors for shell-and-tube heat exchangers with segmental or helical baffles[J]. Heat Transfer Engineering, 1994, 15(1): 55-65.

[22] ZHANG J F, LI B, HUANG W J, et al. Experimental performance comparison of shell-side heat transfer for shell-and-tube heat exchangers with middle-overlapped helical baffles and segmental baffles[J]. Chemical Engineering Science, 2009, 64(8): 1643-1653.

[23] WANG Q, CHEN G, CHEN Q, et al. Review of improvements on shell-and-tube heat exchangers with helical baffles[J]. Heat Transfer Engineering, 2010, 31(10): 836-853.

[24] 曹日. 螺旋折流板換熱器的研究[D]. 北京: 北京化工大學, 2011.

[25] 王晨, 桑芝富. 1/4 橢圓螺旋折流板換熱器性能的數值模擬[J]. 過程工程學報, 2007, 7(3): 425-431.

[26] 張少維. 螺旋折流板換熱器的結構及性能研究[D]. 南京: 南京工業大學, 2005.

[27] 丁國良, 張春露. 制冷空調裝置仿真與優化[M]. 北京:科學出版社, 2001.

[28] 施明恒, 甘永平, 馬重芳. 沸騰和凝結[M]. 北京: 高等教育出版社, 1992.

[29] 戈銳. 管殼式換熱器殼側氣液兩相流動和傳熱的數值模擬研究[J]. 汽輪機技術, 2012, 54(5): 345-347.

Simulation Platform Development and Influence Factor Analysis for Flow Condensation Characteristics of LNG Mixture in Shell-tube Heat Exchanger with Helical Baffles

HUANG Qing-nan*1, CHEN Jie2, YANG Wen-gang2, LUO Ting-ting2, DING Guo-liang1, HU Hai-tao1
(1-Institute of Refrigeration and Cryogenics, Shanghai Jiao Tong University, Shanghai 200240, China; 2-R&D Center, CNOOC Gas & Power Group, Beijing 100028, China)

When the shell-tube heat exchanger with helical baffles is used for cooling mixed hydrocarbons, it may cause the unbalance of condensation and reduce the equipment efficiency. But due to huge volume and energy consumption of the heat exchanger, it is difficult to study the performance rule by a large number of experimental tests. In order to understand the flow condensation characteristics of LNG mixture in the shell side, a simulation model of the seawater heat exchanger with helical baffles is developed in this paper. The heat and mass transfer and the change of the gas fraction along the flow process are considered in the model. And it reflects the influence of the heat exchanger structure, helical baffle parameters, flow process and fluid properties on flowing and heat exchanging. The simulation speed can be guaranteed by segmentation parameters method as well. In addition, the friendly graphic user interface has also been developed in this simulation platform, which makes it convenient for users to input parameters, calculate cases and get simulation results. Based on the simulation platform developed, the structure influence factors of the flow condensation characteristics in shell side are analyzed and recommended value of best helix angle are given.

Seawater heat exchanger; Shell-tube type; Helical baffles; Simulation platform

10.3969/j.issn.2095-4468.2015.06.106

*黃慶楠（1989-），男，碩士研究生。研究方向：管殼式換熱器傳熱與流動特性。聯系地址：上海市閔行區東川路800號上海交通大學機械與動力工程學院，郵編：200240。聯系電話：021-34205900。E-mail：huangqn@sjtu.edu.cn。