繞管式換熱器殼側(cè)冷劑流體均配性能模擬研究

鹿來運，姜益強，汪耀龍，花亦懷，劉凱月，鄭文科

(1.中海石油氣電集團有限責任公司，北京 100027；2.哈爾濱工業(yè)大學 建筑學院，黑龍江 哈爾濱 150090；3.寒地城鄉(xiāng)人居環(huán)境科學與技術(shù)工業(yè)和信息化部重點實驗室，黑龍江 哈爾濱 150001)

0 引言

大型陸上LNG液化工廠和浮式LNG液化儲存工藝中的主低溫換熱器主要為繞管式換熱器[1]，其結(jié)構(gòu)是在中心筒上用小直徑管以螺旋狀進行纏繞，然后安置于殼體中，換熱器的外筒、纏繞管束和封頭構(gòu)成了殼側(cè)空間[2]。通常，天然氣在管側(cè)由下向上流動被液化，冷劑在殼側(cè)由上向下流動提供冷量[3]，殼側(cè)空間集中了主要熱阻，殼側(cè)冷劑流體的流動對換熱器的換熱性能有顯著的影響，兩相冷劑流體分配不均會使換熱管之間產(chǎn)生熱應力，影響設備壽命，更重要的是會嚴重影響換熱器的換熱性能，造成LNG液化工廠運行安全問題，因此有必要對繞管換熱器殼側(cè)流體的均配特性進行研究。

國內(nèi)外對繞管式換熱器流體均配性研究較少，而對板翅式換熱器的流體均配性進行了大量的研究。Lalot[3]進行實驗與模擬研究，發(fā)現(xiàn)流體不均勻流動造成的換熱效率損失會超過25%。張哲[4]通過實驗研究發(fā)現(xiàn)兩相流分布不均勻程度比單相流更大，換熱效果更差。入口結(jié)構(gòu)不合理是造成流體分配不均的重要原因，主要包括封頭和導流片兩部分結(jié)構(gòu)，兩者對流量均配性的影響方式不同。焦安軍[5]發(fā)現(xiàn)導流片對均配性的影響是在總管流動方向上。張哲[6]發(fā)現(xiàn)封頭主要影響出口截面橫向的流體均配性。許箐[7]研究發(fā)現(xiàn)氣體雷諾數(shù)及干度對均配性具有較大的影響，且液相不均勻度大于氣相，橫向不均勻度大于縱向。焦安軍[8]、張哲[9]、朱建魯[10]、張冰[11]、陳杰[12]、曹學文[13]等分別研究了封頭結(jié)構(gòu)對流體分配的影響，各自提出了改進的封頭結(jié)構(gòu)。吳裕遠[14]提出對兩相流體采取“先分配、后混合”的方法可以達到流體均配的效果。袁培[15]、李焱[16]分別基于該思想提出了各自設計的均流器結(jié)構(gòu)，并證實了均流器對提高流體均配效果的作用。

對于繞管式換熱器，常在殼側(cè)入口設置均流器，以達到均配兩相流量的目的。鹿來運、鄭文科分別設計了盤形[17]、環(huán)形[18]及分布管式均流器[19]，并研究了海上晃動參數(shù)對均流器均配性的影響。Noé-Landry-Privace M’Bouana等[20]利用VOF兩相流及Realizablek-ε湍流模型，研究了環(huán)形均布器模型在不同運行條件下的均布性能。模擬結(jié)果表明：隨著氣相入口速度的增大，環(huán)形均布器的液相均勻性先變好后變差；隨著液相入口壓力的增大，環(huán)形均布器的液相均勻性得到改善。但是，這些研究針對的是均流器的部分模型，而且研究的是均流器出口即纏繞管殼程入口的流體分配情況，不能反映殼側(cè)流體流經(jīng)纏繞管處的均配情況。在不同的流量及干度條件下，殼側(cè)流體的均配規(guī)律會有所不同，因此本研究將對全尺寸的繞管式換熱器整體模型的殼側(cè)流體均配特性進行模擬研究，得出不同流量及干度條件下?lián)Q熱器殼側(cè)流體均配規(guī)律。

1 計算模型

1.1 幾何模型

使用Solidworks軟件建立換熱器模型如圖1所示，包括環(huán)形均流器，纏繞管及外殼三部分。兩相流體進入換熱器，其中液相進入均流器中芯筒、經(jīng)由支管、環(huán)管，從環(huán)管上的小孔流出，實現(xiàn)對液相的均配作用，氣相冷劑在均流器外側(cè)流動，與從小孔流出的液相冷劑重新混合后進入纏繞管殼側(cè)空間，從底部出口流出。出口劃分為32個測量通道，劃分方式及編號如圖2所示。

圖1 換熱器幾何模型

圖2 測量通道劃分及編號

1.2 網(wǎng)格劃分及無關性驗證

使用ICEM軟件生成了非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，對均流器區(qū)域、纏繞管區(qū)域及外殼空間分別創(chuàng)建了BODY，劃分為三個不同的域，代表了均流器液相區(qū)、纏繞管多孔區(qū)域以及殼側(cè)空間的氣液兩相區(qū)，生成的網(wǎng)格如圖3所示，均流器環(huán)管開孔位置與數(shù)量如圖4所示。

圖3 換熱器模型網(wǎng)格劃分

圖4 環(huán)管開孔位置

1.3 模型設置及驗證

仿真模型的設置和邊界條件的選取如表1和表2所示。

表1 模型選取與算法設置

表2 邊界條件設置

冷劑模擬工質(zhì)物性參數(shù)如表3所示。

表3 冷劑工質(zhì)粘度及密度表

建立三個不同網(wǎng)格數(shù)目的繞管式換熱器模型進行網(wǎng)格無關性驗證，網(wǎng)格數(shù)分別為150萬、200萬和300萬，對氣相入口流量為0.085 kg/s(即250 m3/h)，液相入口流量為0.244 2 kg/s(即0.88 m3/h)的工況進行模擬，得到各通道兩相質(zhì)量流量比例系數(shù)如圖5所示，使用200萬網(wǎng)格和300萬網(wǎng)格計算的結(jié)果相差不大，考慮到計算效率等因素，選擇網(wǎng)格數(shù)為200萬的模型進行后續(xù)的模擬研究，網(wǎng)格采用四面體網(wǎng)格，網(wǎng)格的最大尺寸為20 mm。

圖5 網(wǎng)格無關性驗證

為了保證模型的可靠性，采用實驗數(shù)據(jù)驗證仿真模型。以空氣水為介質(zhì)，測量12個通道的質(zhì)量流量，計算繞管式換熱器殼側(cè)流體分布的比例系數(shù)，如圖6和圖7所示。模擬工況和實驗工況的兩相質(zhì)量流量分布規(guī)律基本一致，可見各測量通道的質(zhì)量流量的實驗值和模擬值結(jié)果相近，驗證了計算模型的可靠性。

圖6 工況1比例系數(shù)對比圖

圖7 工況2比例系數(shù)對比圖

1.4 纏繞管多孔區(qū)域設置

纏繞管采用多孔區(qū)域模型進行模擬計算，多孔區(qū)域的設置主要包括孔隙率、粘性阻力以及慣性阻力，孔隙率為孔隙體積與總體積的百分比，實驗模型中纏繞管直徑為12 mm，層間距為14 mm，共13層，則計算得出孔隙率為0.14。

對于湍流流動，滲透率和慣性阻力系數(shù)可使用式(1)和式(2)計算

(1)

(2)

式中α——滲透率/m2；

C2——慣性阻力因子/m-1；

Dp——粒子平均直徑/m；

ε——空腔比。

計算得粘性阻力1/α=2.41×108m-2，慣性阻力C2=9.141 m-1。

2 模擬結(jié)果分析

2.1 流動均配性評價指標

采用比例系數(shù)及離散系數(shù)為評價指標。

(1)比例系數(shù)：通道流量與平均流量之比

(3)

式中Ki——通道i流量與平均流量的比;

Qi——通道i的流量/m3·h-1;

(2)離散系數(shù)：各通道流量相對標準方差

(4)

式中S′——離散系數(shù);

N——通道總數(shù)。

比例系數(shù)可反映各通道流量的相對大小，離散系數(shù)可反映流量整體均配程度。

2.2 總質(zhì)量流量對均配性影響結(jié)果分析

分別保持干度為0.3、0.4、0.5、0.6不變，研究殼側(cè)冷劑流體均配性隨兩相質(zhì)量流量的變化規(guī)律，在此工況范圍內(nèi)，殼側(cè)兩相流體流速滿足實際工程的流速范圍。

(1)干度為0.3的一組模擬工況

圖8為各工況兩相質(zhì)量流量離散系數(shù)對比圖，可見干度為0.3時，離散系數(shù)隨流量增加而減小，即分布更加均勻。為了清晰地表示各通道流量分配情況，選取了具有代表性的12個通道進行比較分析，圖9為各工況下選定的12個測量通道的質(zhì)量流量比例系數(shù)圖，曲線向中間凹陷，分布規(guī)律為徑向上內(nèi)、外圈兩相質(zhì)量流量分布較中間圈多。

圖8 各工況離散系數(shù)對比柱狀圖

圖9 各工況通道比例系數(shù)折線圖

(2)干度為0.4的一組模擬工況結(jié)果分析

圖10為兩相質(zhì)量流量離散系數(shù)對比圖，干度為0.4時，離散系數(shù)隨流量增加而減小，分布更均勻。圖11為測量通道質(zhì)量流量比例系數(shù)圖，曲線向中間凹陷，流量分布規(guī)律為徑向上內(nèi)、外圈質(zhì)量流量分布較中間圈多。

圖10 各工況離散系數(shù)對比柱狀圖

圖11 各工況通道比例系數(shù)折線圖

(3)干度為0.5的一組模擬工況結(jié)果分析

圖12為離散系數(shù)對比圖，干度為0.5時，兩相質(zhì)量流量離散系數(shù)有隨流量增加而減小的趨勢，但基本保持穩(wěn)定。圖13為測量通道的流量比例系數(shù)圖，流量分布規(guī)律為周向上流量分布均勻一致，徑向上最內(nèi)圈流量最多，外面三圈流量分布大致相同。

圖12 各工況離散系數(shù)對比柱狀圖

圖13 各工況比例系數(shù)折線圖

(4)干度為0.6的一組模擬工況結(jié)果分析

現(xiàn)階段，云計算的應用主要被分成三類，其分別是私有云、公有云和混合云計算模式。私有云、公有云和混合云計算模式適用條件以及適用時期各不相同，所以私有云、公有云和混合云計算模式應用所產(chǎn)生的效用也存在著很大的差異性。

圖14為離散系數(shù)對比圖，可看出干度為0.6時，離散系數(shù)隨流量增加而減小，但變化較為平穩(wěn)，減小趨勢不明顯。圖15為通道質(zhì)量流量比例系數(shù)圖，可見流量分布規(guī)律為徑向上由內(nèi)至外質(zhì)量流量減少，最內(nèi)圈流量最多，第二圈次之，第三圈和最外圈流量分布較少；周向上流量分布均勻。

圖15 各工況通道比例系數(shù)折線圖

圖16顯示了氣相流量為1.2 kg/s，液相流量為0.8 kg/s，干度0.6的工況1下，殼側(cè)空間及均流器內(nèi)冷劑的流速分布。計算各工況下通道的質(zhì)量流量平均比例系數(shù)，可以定量比較徑向上的流量分配差別。干度為0.3和0.4時，中間兩圈平均流量約為內(nèi)外圈平均流量的1.3倍；干度為0.5和0.6時，兩相質(zhì)量流量分布規(guī)律為徑向上由內(nèi)至外流量減少，最內(nèi)圈流量約為最外圈流量的1.7倍。

圖16 殼側(cè)空間氣相及液相冷劑流速分布

2.3 干度對均配性影響結(jié)果分析

分別保持兩相質(zhì)量流量為2 kg/s、3 kg/s、4 kg/s、5 kg/s不變，研究殼側(cè)冷劑流體均配性隨干度的變化規(guī)律，表4中列出了干度變化的各組工況的模擬結(jié)果：對表5所列的4組工況的模擬結(jié)果分析，可見質(zhì)量流量不變時，兩相質(zhì)量流量離散系數(shù)隨干度增加而增大，均勻性惡化。

表4 質(zhì)量流量不變，干度變化工況的模擬結(jié)果表

3 結(jié)論

本研究建立了繞管式換熱器數(shù)值模擬模型并利用實驗數(shù)據(jù)進行了驗證，以冷劑為工質(zhì)進行兩相流模擬研究，得出如下殼側(cè)冷劑工質(zhì)兩相流動均配規(guī)律：

(1)干度不變時，繞管式換熱器殼側(cè)兩相冷劑流體質(zhì)量流量分布隨流量增大而更均勻，干度小于0.5時均配性變化趨勢明顯，干度大于等于0.5時變化幅度較小；

(2)質(zhì)量流量不變時，流體分布隨干度減少而更均勻；

(3)干度大于等于0.5時，流體分布在徑向上由內(nèi)至外質(zhì)量流量減少，最內(nèi)圈流量約為最外圈流量的1.7倍；

(4)干度小于0.5時，徑向方向上內(nèi)圈與外圈質(zhì)量流量分布較中間圈多，中間兩圈平均流量約為內(nèi)外圈平均流量的1.3倍。