垂蕩工況繞管式換熱器殼側流動沸騰換熱特性實驗研究

陳杰，李劍銳，密曉光，丁國良，胡海濤，丁超

（1-中海石油氣電集團技術研發中心，北京 100028；2-上海空間推進研究所，上海 201112；3-上海空間發動機工程技術研究中心，上海 201112；4-上海交通大學制冷與低溫工程研究所，上海 20024）

0 引言

繞管式換熱器（Spiral Wound Heat Exchanger，SWHE）是一種大型低溫換熱器[1-2]，廣泛應用于陸基LNG液化天然氣工藝流程[3]。而浮式液化天然氣（Floating liquefaction natural gas，FLNG）平臺是在海上完成天然氣的預處理、冷凝、萃取、液化及儲存的一體化裝置[4-5]。繞管式換熱器用于FLNG平臺時，由于海上特有的船體晃蕩運動影響[6]，換熱器內部的兩相流體在附加慣性力的作用下，會發生兩相分布不均勻和流量波動等影響[7]，引起繞管式換熱器殼側流體的流型、兩相換熱和壓降特性改變，造成換熱器的性能下降，影響天然氣產液率[8-10]。特別是垂蕩工況相對其他晃蕩工況對繞管式換熱器有更顯著的影響[11-13]。因此，為了避免海上晃蕩工況下繞管式換熱器的性能惡化，針對FLNG平臺進行優化設計，必須揭示垂蕩工況下繞管式換熱器殼側流型特征及傳熱變化規律。

目前針對繞管式換熱器殼側換熱研究，主要集中于陸基工況[16-18]；而晃蕩工況下繞管式換熱器研究，集中于數值模擬方面、整機實驗性能測試和數學預測建模方面。REN等[13,19-20]通過數值模擬方法研究了過熱烷烴氣體[19]和兩相烷烴氣體[13,20]在縱搖、垂蕩工況下的繞管式換熱器殼側傳熱和壓降特性。結果表明，橫搖工況下，過熱氣體的傳熱系數相比陸基工況要增加，而摩擦壓降隨橫搖幅度的增加而減小；橫搖工況增強局部殼側兩相換熱，影響幅度隨質流密度的增大而減小；縱搖工況和垂蕩工況的影響比橫搖工況更顯著，對傳熱強化和波動更明顯；在高干度工況下，晃蕩引起的傳熱系數和壓降的波動減小。

LI[21-22]通過數值模擬的方法研究了海上工況殼側0.05～0.5干度范圍內的降膜流型和傳熱特性的影響。其研究結果表明，橫搖和橫蕩工況會引起液膜在管層間發生偏移，出現干區弱化傳熱；垂蕩工況在周期前半和后半對液膜流動產生加速和減速的影響，引起傳熱惡化；頻率較低的橫蕩和垂蕩工況對流型和換熱的影響可忽略。SUN等[23-24]進行小型繞管式換熱器整機的性能參數實驗，對比了不同晃蕩工況下管側和殼側熱力參數的變化。晃蕩對于殼側混合冷劑的影響大于管側液化天然氣的影響，垂蕩和縱搖工況比縱蕩和艏搖工況的影響更顯著；對于管側流體，垂蕩工況對傳熱的影響最大，周期15 s為對晃蕩傳熱影響的轉折點。WANG等[25-26]基于縱搖過程的氣液偏離現象建立了繞管式換熱器殼側數學模型，對不同幅度和周期的縱搖工況下繞管式換熱的性能影響進行了仿真研究。DUAN等[27]在WANG等的模型基礎上考慮了殼側液膜層間遷移的影響，并分析了縱搖工況下不同結構參數對偏移幅度的影響。而針對晃蕩工況下流動沸騰的換熱性能預測，仍缺少相關研究，因此，需要進一步深入研究垂蕩工況下繞管式換熱器殼側兩相流型和換熱特性。

本文對繞管式換熱器晃蕩工況下殼側流動沸騰換熱特性進行實驗研究，揭示垂蕩工況下對流型的影響機理和兩相換熱變化規律。

1 實驗原理和測試樣件

本文設計的實驗系統為壓機驅動混合工質單流路閉式循環系統[1]，如圖1所示。實驗的主測試流路由天然氣壓縮機、板式換熱器、氣動調節閥、電伴熱帶、管道電加熱器和測試樣件等組成。壓縮機為無油隔膜式壓縮機，保證實驗工質的純度。工質流出壓縮機后，經過前置冷凝器預冷，再經后置冷凝器液化并達到過冷態。過冷工質經節流閥降壓節流降壓后，再經前置電加熱器加熱至需要測定的溫度、干度工況，再流入繞管式換熱器傳熱測試樣件內實現流型觀測和傳熱系數測量。然后工質經后置電加熱器加熱至過流入壓縮機完成循環。

圖1 實驗測試系統[1]

實驗中選用的晃蕩實驗平臺為采用Stewart機構的六自由度運動平臺，由6個電動液壓桿支承，運動平臺與電動液壓桿采用6個虎克鉸連接，由計算機控制系統通過協調控制電動液壓桿的行程，實現運動平臺的6個自由度的運動，即3個平移運動和繞3個坐標軸的轉動。本實驗測試的垂蕩運動為Z軸方向的豎直往復運動，涵蓋垂蕩幅度0～150 mm、垂蕩周期3～20 s。

圖2 晃蕩平臺和實驗測試樣件[1]

實驗測試樣件為單排管的測試樣件，壁面反映了繞管式換熱器的實際結構[1]。為了實現對殼側流體流型的觀測、對傳熱系數測量，測試樣件從結構方面設計為3個功能段，分別是均流穩流段、傳熱測試段與流型觀測段。均流穩流段在測試樣件的最上部，由兩個擋板、兩層多孔均流板以及10排管束組成，其作用是使流入的流體實現均流并達到流型穩定。傳熱測試段布置在壓降測試短的下方，由8排管束組成，其作用是實現對傳熱系數的測量。在傳熱測試段的進、出口位置各布置一根鎧裝T型熱電偶（標定后測量誤差±0.1 ℃）用來測試流體溫度。位于該段頂部及底部的2根管為非加熱管，中間的4根管為加熱管，設置非加熱管的作用是防止加熱管的加熱量對上下游的其他功能段形成干擾。低溫觀測段布置在傳熱測試段的下方，其作用是實現對流型的可視化觀測。采用“雙層玻璃+真空夾層”的視鏡結構，以避免低溫觀測的結霜問題。

對于晃蕩工況實驗，采用與丙烷物性接近的R22為實驗測試工質，模擬混合冷劑工藝預冷段換熱器的流動沸騰過程。實驗測試工況涵蓋40～80 kg/(m2·s)質流密度，4 kW/m2的熱流密度，0.1～0.9干度工況，0.25 MPa飽和壓力。

1.3 數據導出及誤差分析

傳熱系數的計算如下：

式中，q為熱力密度，W/m2；Tw為管外壁溫度，K；t3和t4為測試樣件進出口溫度，K；Tm為管壁溫度平均值，K；Q為加熱棒加熱量，W；Rin為加熱管內半徑，m；Rout為加熱管外半徑，m；K為不銹鋼熱導率，取16.2 W/(m·K)；Lh為加熱管長度，m。

為了直觀對比晃蕩工況對不同工況傳熱系數的影響，將對應相同工況參數條件下的陸基穩態傳熱系數作為基準，引入傳熱晃蕩時均因子Fh和傳熱晃蕩幅度因子Ah，對換熱影響的程度進行對比評估。

式中，Fh是傳熱的晃蕩時均因子，物理意義為晃蕩工況與陸基穩定工況時均傳熱系數的比值，表征晃蕩對傳熱系數均值的影響，Fh=1表示晃蕩工況對傳熱時均值影響最小，Fh>1為強化傳熱，Fh<1為弱化傳熱；Ah是傳熱的晃蕩幅度因子，物理意義為晃蕩工況下的上下波動振幅范圍與陸基穩定工況時均傳熱系數的比值，表征單個周期內晃蕩引起的傳熱波動變化特性，Ah=0表示晃蕩工況下的傳熱波動幅度最小；αst是對應的陸基工況下傳熱系數，W/(m2·K)；αsl是晃蕩工況下傳熱系數的時均值，W/(m2·K)；αmax和αmin分別是周期內傳熱系數波動的上下限，W/(m2·K)。

實驗設備的測量誤差如表2所示，根據誤差傳遞公式，可計算得到傳熱系數的測量誤差為±14.15%，滿足實驗測試要求。

表2 實驗設備誤差

2 結果分析

2.1 垂蕩工況與陸基工況的傳熱系數對比

圖3所示為晃蕩周期T0為10 s，幅度Asl為100 mm時，繞管式換熱器縱搖工況下傳熱系數與陸基工況對比。由圖3可知，垂蕩工況下的傳熱系數隨干度和質流密度的增大而增大，這與陸基工況一致。垂蕩工況下的傳熱系數相對于陸基工況整體呈現弱化。

圖3 垂蕩與陸基工況的傳熱系數對比

影響幅度隨著干度的增加而增大，最大惡化程度達到-20.3%；而隨著質流密度的增大，垂蕩在中高干度的弱化影響減小，80 kg/(m2·s)的最大惡化程度為9.7%。原因在于，中高干度工況下，垂蕩工況對液膜撕裂造成了局部工況出現干涸區，此時壁面直接與氣相換熱，造成換熱溫差增大，整體換熱能力相對下降；而高質流密度工況氣相對流傳熱系數相對更大，受干涸區影響較小。

圖4所示為不同工況下的傳熱時均因子Fh，即垂蕩工況與陸基工況換熱系數的比值。由圖4可知，晃蕩工況傳熱影響幅度隨干度增加而增大，在40 kg/(m2·s)質流密度影響幅度由+1.6%惡化到-14.8%。晃蕩工況傳熱影響幅度隨質流增大而影響幅度減小，質流密度由40 kg/(m2·s)增加至80 kg/(m2·s)，平均影響幅度由-13.8%減小至-7.9%。

圖4 不同工況參數下垂蕩工況的傳熱時均因子的變化

原因在于，液相流速隨著干度的增加而增大，垂蕩由于和流速方向平行，因此在周期內對液相造成加速和減速的影響，加速時液膜變薄強化傳熱、減速時液膜變厚弱化傳熱，因此整體的強化幅度和實際液相的速度及液膜厚度有關。隨著干度的上升，液相體積分數減少，較為劇烈的垂蕩運動會造成液膜的撕裂，破壞流型，導致干區出現，因此導致時均因子減小。隨質流密度上升，在液相流速增大的時候，垂蕩引起的流速變化相對減小，因此對傳熱影響變弱。對于幅度的影響，時均因子隨垂蕩幅度變化規律與橫蕩工況類似，隨幅度的增大，影響程度變大，但是低干度下影響較小，0.7和0.9干度影響較為明顯，換熱系數時均值的相對陸基工況最大惡化程度-20.3%。原因是高頻率工況下，如果要達到破壞液膜的慣性力，需要更大的橫蕩幅度來滿足，低干度下液膜較厚，更難破壞液膜，高干度下液膜變薄，因此影響幅度隨垂蕩幅度增大。對于周期的影響，除了極小周期的高頻率工況有一定的換熱強化，在中高幅度下周期的影響不明顯。

2.2 垂蕩工況傳熱系數波動特性分析

圖5所示為不同垂蕩工況下的傳熱幅度因子Ah，傳熱系數最大波動幅度為7.4%。隨著干度增大，垂蕩工況下的幅度因子逐漸增加，且隨著質流密度的增加而增大。原因在于垂蕩運動使液相流速增加或減少，而液相速度越大，本身的波動性也越強，同時在高干度工況下，垂蕩運動對管壁上的液膜也能產生一定的慣性力使得液膜撕裂，同時使氣流中夾雜的液滴更容易沖擊壁面，從而增加了傳熱系數的上下波動幅度。

圖5 不同工況參數下垂蕩工況的傳熱幅度因子的變化

隨著垂蕩幅度的增加，換熱的波動性增大，在0.9干度的工況增加特別明顯。對于垂蕩周期，在小周期的高頻率工況下，對低干度的工況增強幅度因子，對高干度工況減弱幅度因子。而對于高干度的工況，隨著周期的增大，傳熱波動幅度也在逐漸的增加，這是由于高干度工況下垂蕩對入口液相工質產生了一定聚集而造成的，從而使換熱器內部的干度變化，傳熱波動性上升。

3 結論

本文進行了垂蕩工況下繞管換熱器殼側流動沸騰過程實驗研究和流型觀測，分析了垂蕩工況對繞管換熱器殼側兩相流動和傳熱的影響，得出如下結論：

1）在前半和后半周期對換熱器殼側液膜流動分別產生促進流動和阻礙流動的影響，高干度會產生液膜撕裂的現象；

2）垂蕩工況下，傳熱系數的變化趨勢與陸基工況一致，但中高干度由于晃蕩加速度導致液膜破裂，出現干涸區，導致傳熱弱化；對垂蕩工況下的傳熱時均因子分析可知，隨著干度、垂蕩幅度增大，傳熱系數的惡化加劇，隨質流密度增大，惡化程度減弱，而垂蕩周期的影響相對較小；傳熱系數時均值相對陸基工況的最大惡化程度為-20.3%；

3）對垂蕩工況下的傳熱幅度因子分析可知，隨著質流密度、干度、垂蕩幅度和垂蕩周期增大，傳熱系數在周期內的波動幅度均增大；傳熱系數周期內的最大波動幅度為7.4%。