LNG繞管式換熱器殼側換熱特性研究

吳 曉

(山東石油化工學院，山東 東營 257061)

繞管式換熱器主要應用于陸上大型天然氣液化廠，為了滿足不斷發展的天然氣液化工藝要求，繞管式換熱器的液化能力逐漸增大。國內外對其換熱特性的研究也越來越深入。本文通過數值模擬，明確不同運行工況對LNG繞管式換熱器殼側換熱特性的影響。

1 繞管式換熱器的基本結構和研究現狀

圖1 繞管式換熱器剖面結構示意圖Fig.1 Sectional structure of wound heat exchanger

繞管式換熱器是管殼式換熱器的一種，是一種緊湊高效新型換熱器，具有一定的溫度自補償能力，單位換熱面積大，換熱效率較高，可實現多股流換熱。繞管式換熱器主要由換熱管、殼體、墊條及芯部金屬管組成，如圖1所示。

浦暉等[1]對繞管式換熱器指出天然氣預冷、液化、過冷等過程的熱問題和溫度關系難以準確模擬與計算等問題；吳志勇等[2]對LNG繞管式換熱器殼側過熱態進行了數值模擬的研究，總結出繞管式換熱器具有?倎結構緊湊，單位容積具有較大的傳熱面積?偉f抗高壓等優點；賈金才[3]對影響換熱管傳熱特性的幾何參數做了大量的研究，指出：管徑越小、徑向比越小、軸向比越大時換熱效果越好；徑向比越小對換熱越好，但是當徑向比小到一定程度時，對換熱的影響將不顯著；尹接喜等[4]對纏繞管換熱器并管傳熱模型做了大量的實驗，對并管管壁微元段建立熱平衡方程，提出了多流體纏繞管換熱器的并管傳熱模型；張高鵬等[5]建立了多股流繞管式換熱器的三維模型，在用FLUENT進行數值模擬時，得出結論：每股流體的Nu數和單位管長壓降隨著層數或換熱管外徑的增加而逐漸增大、隨著中心筒直徑的增加而逐漸增大；李琴等[6]對三層繞管式換熱器進行了數值模擬研究，得出結論:換熱管直徑增大，入口速度增大，纏繞角度增大都可使傳熱系數K增大，但達到一定數值后效果不明顯；季鵬[7]通過計算不同結構參數下繞管式換熱器的殼側結構因子和管側傳熱系數，得出結論:降低墊片厚度,減小繞管軸向間距和纏繞角度都可使繞管式換熱器殼側換熱顯著增強。但保持雷諾數不變，增加繞管內徑，管側傳熱系數減小。

吳金星等[8]分別建立了不同繞管式換熱器模型，傳熱系數隨管間距的增大而增大。Lu等[9]以通過數值模擬的方法，研究結果表明，繞管式換熱器殼側Nu數和壓降隨換熱管外徑、換熱管層數和中心簡直徑的增大而增大，但隨換熬營問距和換熱管層間距的增大面減小；魏江濤等[10]得出了以下結論：管徑越大，傳熱系數越小。徑向比越大，傳熱系數越小。在允許的情況下，適當的增加擾度對換熱有促進作用；鄭州大學[11]對螺旋纏繞管換熱器的傳熱性能做了大量的數值研究。在此基礎上提出了螺旋纏繞三葉管和螺旋纏繞橢圓管的新結構；陸星等[9]對不同邊界條件下多層繞管式換熱器的換熱性能做了大量的研究。

2 殼側模型的建立

2.1 物理模型描述

繞管式換熱器殼程由2～5 mm厚的帶狀金屬條分隔開，對流動有影響并有利于強化傳熱，但其效果并不明顯，但是由于墊片的存在，在劃分網格時，導致網格數量急劇增長，并最后導致計算無法進行，并且墊片的存在只起到支撐作用，因而在建立模型時，忽略墊片的存在，只保留繞管與繞管間的距離，用SolidWorks建立幾何模型，如圖2所示。

圖2 繞管式換熱器非結構網格幾何模型Fig.2 Unstructured grid geometric model of wound heat exchanger

2.2 數學模型描述

連續性方程：

(1)

(2)

(3)

動量方程：

(4)

能量方程：

(5)

式中：keff為是有效熱傳導率；SE為體積熱源。

3 殼側數值模擬及分析

3.1 不同雷諾數下殼側流體流動傳熱特性

如圖3所示通過計算結果可以輕易地看出在Re不斷增大時，Nu隨之增大，換熱效果得到了增強，但當Re增大到一定程度時，殼側低溫冷劑的換熱作用則增長較慢。在雷諾數較小時，增大雷諾數會導致殼側低溫冷劑與繞管的接觸更加的充分，因而換熱效果會不斷地增強，但是當雷諾數很大時，雷諾數將不再是影響換熱效果的一個很重要的因素，因此，在增大殼側低溫冷劑入口雷諾數時并不能使換熱效果明顯增強，變化將趨于平緩。因而在繞管式換熱器進行換熱實驗時，采用合適的流速對換熱效果是十分重要的。

圖3 努塞爾數變化情況Fig.3 Change of Nusselt number

3.2 不同干度下殼側流動特性

如圖4可以很直觀的觀察到，當殼側低溫冷劑的干度增加時，繞管式換熱器殼側的換熱效果逐漸的變差。經過分析，當干度不斷增大時，氣相輕組分所占比重會相對降低，因而，換熱效果會有所削弱；再者，當干度不斷增大時，氣相組分所占的比重會越來越大，而氣相組分的存在則會對流體產生擾動，從而使殼側低溫冷劑與螺旋繞管進行換熱時，低溫冷劑不能充分的與管側進行換熱，從而導致換熱效果不有所削弱。

圖4 努塞爾數變化情況Fig.4 Change of Nusselt number

3.3 傾斜狀態下不同雷諾數的數值模擬

在5°、10°、15°、20°、25°、30°固定傾角下，雷諾數對繞管式換熱器殼側換熱的影響，如圖5所示，傾斜工況工況與豎直工況相比較，在低雷諾數時，在傾斜工況下殼側的換熱效果更為的優越；而隨著雷諾數的增長，兩種工況的換熱差距將不斷縮小。分析結果如下：在傾斜工況下，這種特殊結構對于物流分配的影響較小；另外，可能是由于這種特殊工況下不會導致局部的換熱過度或換熱不足。再者，當雷諾數很大時，雷諾數對換熱效果的影響將比較的微小，因而增大雷諾數換熱效果將不會產生很大的變化。

圖5 努塞爾數變化情況Fig.5 Change of Nusselt number

3.4 傾斜狀態下不同干度的數值模擬

圖6 努塞爾數變化情況Fig.6 Change of Nusselt number

在不同干度下，傾斜和豎直兩種工況下對殼側換熱進行定量分析，如圖6所示，隨著殼側入口干度的增加，繞管式換熱器殼側換熱效果不斷地削弱。并且傾斜工況與豎直工況下相對比，在傾斜工況下，繞管式換熱器的換熱效果更好，經過分析，認為隨著殼側低溫冷劑與換熱管的換熱，伴隨著相變的發生，而在入口條件干度不斷增大時，輕組分所占的比重會不斷降低，因而，干度越大時，換熱效果卻會削弱；再者，當干度不斷增大時，氣相組分所占的比重會越來越大，而氣相組分的存在則會對流體產生擾動，從而使殼側低溫冷劑與螺旋繞管進行換熱時，低溫冷劑不能充分的與管側進行換熱，從而導致換熱效果不有所削弱。

4 結 論

通過數值模擬與分析計算的方式，研究了雷諾數、干度以及傾斜角度對繞管式換熱器殼側換熱的影響，得出了以下結論：

(1)在傾斜狀態下殼側的低溫冷劑低溫冷劑能更加充分的與繞管進行換熱，因而在生產實踐中，可以適當的增加繞管式換熱器的傾斜角度；

(2)在干度一定時，隨著雷諾數的增加，繞管式換熱器殼側換熱效果會不斷地增強，但是雷諾數增加到一定程度，雷諾數將不再是影響換熱效果的重要因素，因而，采用合適的流速對換熱效果十分重要；

(3)在雷諾數一定時，隨著干度的增加，繞管式換熱器的換熱效果會不斷的削弱。當干度增大到一定數值，導致換熱效果不有所削弱。