天然氣液化主低溫?fù)Q熱器流動(dòng)換熱特性教學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

韓 輝，李玉星，朱建魯，王武昌，胡其會(huì)，孫崇正

（中國石油大學(xué)（華東）儲(chǔ)運(yùn)與建筑工程學(xué)院，山東省油氣儲(chǔ)運(yùn)安全省級(jí)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東青島 266580）

0 引 言

2020 年9 月，習(xí)近平總書記提出“碳排放力爭(zhēng)于2030 年前達(dá)到峰值，努力爭(zhēng)取2060 年前實(shí)現(xiàn)碳中和”的目標(biāo)［1］。天然氣作為一種低碳能源，在我國向低碳能源轉(zhuǎn)型并最終實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)的過程中起著重要的橋梁作用［2-3］。液化天然氣（Liquefied Natural Gas，LNG）是天然氣的一種高效運(yùn)輸、儲(chǔ)存方式，逐漸成為國際天然氣貿(mào)易的主流形式。2020 年，我國LNG 進(jìn)口總量約為7.24 ×106t，約合9 ×1010m3，占我國天然氣進(jìn)口總量的65%［4-6］。LNG需求的劇增必將帶來其產(chǎn)業(yè)鏈的飛速發(fā)展，同時(shí)也提高了對(duì)液化天然氣方面人才培養(yǎng)的要求。我校在油氣儲(chǔ)運(yùn)工程專業(yè)開設(shè)液化天然氣利用技術(shù)這門課程已有12 年，目前課程體系成熟，教學(xué)內(nèi)容覆蓋液化天然氣產(chǎn)業(yè)鏈上中下游的主要工藝與設(shè)備，使本專業(yè)畢業(yè)生具有從事液化天然氣相關(guān)工作的基礎(chǔ)知識(shí)與技能。2019 年，本專業(yè)通過專業(yè)認(rèn)證，圍繞培養(yǎng)“能夠分析、解決復(fù)雜工程問題”的專業(yè)技術(shù)人才這一目標(biāo)［7-8］，考慮到本專業(yè)課程實(shí)驗(yàn)在天然氣液化工藝中主低溫?fù)Q熱設(shè)備方面少有涉及，因此教研組以國家自然科學(xué)基金聯(lián)合重點(diǎn)項(xiàng)目“新型FLNG裝置天然氣帶壓液化復(fù)雜流動(dòng)與換熱的基礎(chǔ)問題”項(xiàng)目以及山東省自然科學(xué)基金“多自由度擾動(dòng)下微通道內(nèi)非共沸工質(zhì)流型演化及換熱特性研究”項(xiàng)目為依托，搭建了一套天然氣液化主低溫?fù)Q熱器流動(dòng)與換熱實(shí)驗(yàn)裝置，該裝置可以實(shí)現(xiàn)低溫測(cè)試條件下流型演化特性觀測(cè)［9］和流動(dòng)換熱性能測(cè)試［10-11］。裝置具有較好的通用性，對(duì)天然氣液化工藝中常見的主低溫?fù)Q熱器，例如板翅式換熱器、繞管式換熱器以及印刷電路板式換熱器等［12-14］均可通過更換測(cè)試段實(shí)現(xiàn)測(cè)試；同時(shí)測(cè)試段可靈活拆卸、組裝，用于測(cè)試不同的內(nèi)部通道結(jié)構(gòu)和管型等參數(shù)影響。利用該實(shí)驗(yàn)裝置開展不同主低溫?fù)Q熱器在不同溫區(qū)的流動(dòng)換熱課程實(shí)驗(yàn)，幫助學(xué)生理解換熱設(shè)備的換熱規(guī)律與工作機(jī)制，鍛煉學(xué)生形成分析、解決天然氣液化工藝中主低溫?fù)Q熱器存在的復(fù)雜流動(dòng)傳熱問題的能力［15］。

1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 流動(dòng)換熱實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的設(shè)計(jì)

搭建的天然氣液化主低溫?fù)Q熱器流動(dòng)換熱特性實(shí)驗(yàn)裝置的工藝流程如圖1 所示。實(shí)驗(yàn)流程包括低溫冷劑循環(huán)、液氮制冷流路、常溫液相冷劑循環(huán)、熱水循環(huán)和冷水循環(huán)。裝置可以實(shí)現(xiàn)低溫和常溫條件下不同冷劑的流動(dòng)傳熱測(cè)試。

圖1 天然氣液化工藝主低溫?fù)Q熱器流動(dòng)換熱特性實(shí)驗(yàn)裝置及工藝流程

常溫冷劑循環(huán)中，采用戊烷作為測(cè)試工質(zhì)，分離器中的液態(tài)戊烷通過屏蔽泵輸送至板式換熱器，與熱水進(jìn)行換熱，達(dá)到飽和溫度后進(jìn)入可視化測(cè)試段。泵的出口設(shè)有至分離器的旁通，便于流量進(jìn)一步調(diào)節(jié)。戊烷進(jìn)入可視化測(cè)試段后，在換熱通道中被加熱并完成換熱和壓降性能測(cè)試；流出測(cè)試段后，經(jīng)水冷后返回分離器。為了實(shí)現(xiàn)戊烷的加熱和冷卻，分別配套設(shè)計(jì)了熱水和冷水循環(huán)，冷、熱水分別通過離心泵輸送至板式換熱器，換熱后回到儲(chǔ)罐。實(shí)驗(yàn)中通過調(diào)節(jié)變頻泵頻率及出口閥門開度控制質(zhì)流密度（30～50 kg／（m2·s）和工質(zhì)入口干度（0～1）。

低溫冷劑循環(huán)中，實(shí)驗(yàn)工質(zhì)包括氬氣、R11 等。氣體工質(zhì)經(jīng)風(fēng)機(jī)增壓后，進(jìn)入板式換熱器冷卻，之后在兩級(jí)冷凝器中與液氮換熱實(shí)現(xiàn)預(yù)冷和過冷。液化后的冷劑進(jìn)入低溫實(shí)驗(yàn)測(cè)試段，在換熱測(cè)試段，冷劑被加熱完成相變傳熱，同時(shí)進(jìn)行該過程的流動(dòng)和換熱性能測(cè)試。換熱后的工質(zhì)通過氣化器完全氣化后，回到風(fēng)機(jī)入口。低溫實(shí)驗(yàn)中采用液氮冷卻，液氮通過自增壓從儲(chǔ)罐流出，依次進(jìn)入深冷冷凝器和預(yù)冷凝器，換熱后排入空氣中。低溫實(shí)驗(yàn)管路和測(cè)試段需要包裹保溫層保冷，以確保低溫實(shí)驗(yàn)的正常進(jìn)行。

1.2 不同換熱器測(cè)試段的設(shè)計(jì)

為了能夠?qū)崿F(xiàn)不同低溫?fù)Q熱器的測(cè)試，針對(duì)典型的換熱器結(jié)構(gòu)，例如繞管式換熱器和印刷電路板式換熱器，分別進(jìn)行了測(cè)試段的設(shè)計(jì)，測(cè)試段可以直接與實(shí)驗(yàn)平臺(tái)連接，開展實(shí)驗(yàn)測(cè)試。

（1）繞管式換熱器測(cè)試段的設(shè)計(jì)。繞管式換熱器是一種大型的換熱設(shè)備，實(shí)驗(yàn)室加工的測(cè)試段應(yīng)能夠體現(xiàn)該類型設(shè)備的主要流動(dòng)和換熱特征，設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)如圖2 所示，由外殼、管束、側(cè)板與可視化窗口組成。設(shè)計(jì)外殼尺寸為130 mm ×98 mm ×314 mm，材料為304 不銹鋼；管束是繞管式換熱器工作部分的主體，其前后由2 層管束組成，由上到下依次為多排穩(wěn)流管和測(cè)試管，測(cè)試管管壁軸向打孔，可插入T 型熱電偶測(cè)溫；管內(nèi)置電加熱棒，通過控制柜調(diào)節(jié)電加熱棒的功率，以提供不同大小熱流，單根加熱棒最大功率為240 W。可視化窗口為3 mm厚度的透明亞克力板。側(cè)板用于固定管束，通過改變側(cè)板開孔位置、大小、形狀可以方便實(shí)現(xiàn)不同管間距、管徑、管形的測(cè)試管測(cè)試。圖3 所示為加工測(cè)試的幾種換熱管管形。側(cè)板與外殼通過螺栓連接并用丁腈墊片密封。

圖2 繞管式換熱器測(cè)試段結(jié)構(gòu)

圖3 繞管式換熱器測(cè)試段換熱管管形

（2）印刷電路板式換熱器測(cè)試段設(shè)計(jì)。印刷電路板換熱器是一種高效緊湊式換熱器，其通道尺寸在毫米級(jí)，典型換熱通道結(jié)構(gòu)如圖4 所示，測(cè)試段由微通道測(cè)試段和有機(jī)玻璃蓋板構(gòu)成，微通道測(cè)試段通過化學(xué)蝕刻或者機(jī)械加工的方式制作。在測(cè)試通道底部對(duì)應(yīng)放置長(zhǎng)200 mm，寬60 mm的電加熱片，以實(shí)現(xiàn)測(cè)試段的均勻加熱，并通過控溫箱來控制加熱的熱流密度。為測(cè)量通道的流動(dòng)換熱性能，在測(cè)試段進(jìn)口安裝流量計(jì)，進(jìn)、出口處分別布置溫度和壓力傳感器，測(cè)量工質(zhì)的流量、溫度和壓力等參數(shù)。同時(shí)，微通道底部5 mm處沿流動(dòng)方向等距布置6 個(gè)?2 mm的測(cè)溫孔，以放置熱電偶，測(cè)量沿程的溫度變化。為減小實(shí)驗(yàn)過程中由于漏熱帶來的熱損失，在進(jìn)行流動(dòng)沸騰換熱實(shí)驗(yàn)時(shí)，對(duì)整個(gè)實(shí)驗(yàn)裝置包裹保溫隔熱材料。

圖4 印刷電路板換熱器測(cè)試段示意圖

2 用于課程實(shí)驗(yàn)的可行性分析

本裝置側(cè)重于天然氣液化過程中不同類型主低溫?fù)Q熱器在不同溫區(qū)的流動(dòng)換熱性能測(cè)試，具有以下特點(diǎn)：

（1）實(shí)驗(yàn)內(nèi)容豐富性。天然氣液化工藝所常用的主低溫?fù)Q熱器類型并非單一，不同類型換熱器的流動(dòng)換熱性能差異較大；同時(shí)，對(duì)于同一類型換熱器用于天然氣液化時(shí)，其工作溫區(qū)跨度較大，流動(dòng)換熱規(guī)律也不盡相同。當(dāng)前實(shí)驗(yàn)裝置將流體控制系統(tǒng)與測(cè)試段分離，采用標(biāo)準(zhǔn)化進(jìn)出口連接方式，便于更換不同類型測(cè)試段；此外，可通過控制管路閥門切換使用常溫管路與低溫管路，實(shí)現(xiàn)不同操作溫度下的實(shí)驗(yàn)。

（2）實(shí)驗(yàn)裝置可靠性。當(dāng)前實(shí)驗(yàn)裝置離心泵、板式換熱器、流量計(jì)、溫度傳感器、壓力傳感器等所有設(shè)備選型參數(shù)均按所定實(shí)驗(yàn)工況計(jì)算所得，均可在設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)工況范圍內(nèi)長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定運(yùn)行。所有管路均做充分保溫處理，確保換熱實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的漏熱量在允許范圍內(nèi)。

（3）實(shí)驗(yàn)裝置安全性與易操作性。當(dāng)前實(shí)驗(yàn)裝置運(yùn)行壓力較低，管道承壓富余量極大；管道經(jīng)過嚴(yán)格的泄漏檢測(cè)，且動(dòng)力設(shè)備均設(shè)有旁通管路，儲(chǔ)罐等設(shè)置有放空閥，可確保實(shí)驗(yàn)安全性。當(dāng)前裝置流體控制系統(tǒng)集中在兩層操作平臺(tái)，便于集中調(diào)節(jié)系統(tǒng)工作狀態(tài)，測(cè)試段與流體控制系統(tǒng)連接標(biāo)準(zhǔn)化，更換方便。

課程實(shí)驗(yàn)于完成相關(guān)課程章節(jié)知識(shí)教學(xué)后進(jìn)行，實(shí)驗(yàn)開始前，學(xué)生需熟悉所有設(shè)備的使用方法以及實(shí)驗(yàn)步驟。

（1）按照預(yù)定實(shí)驗(yàn)內(nèi)容選取對(duì)應(yīng)實(shí)驗(yàn)材料，組裝測(cè)試段，并進(jìn)行密封與保溫；達(dá)到密封性與保溫性要求后，將測(cè)試段通過快速接頭與流體控制系統(tǒng)進(jìn)行連接。

（2）進(jìn)行常溫實(shí)驗(yàn)時(shí)，首先確保管路閥門處于常溫管路暢通、低溫管路封閉狀態(tài)。啟動(dòng)戊烷變頻離心泵，使系統(tǒng)處于工作狀態(tài)；通過調(diào)節(jié)變頻器及泵的出口閥門與旁通管路閥門開度調(diào)節(jié)管路中戊烷的壓力與流量；之后通過調(diào)節(jié)熱水循環(huán)管路閥門開度來調(diào)節(jié)進(jìn)入測(cè)試段戊烷的溫度與干度，調(diào)節(jié)加熱棒控制柜來調(diào)節(jié)測(cè)試段中的換熱量；然后通過調(diào)節(jié)冷水循環(huán)管路閥門開度來調(diào)節(jié)回到戊烷儲(chǔ)罐的戊烷溫度；所有設(shè)備調(diào)節(jié)完畢后，使系統(tǒng)按當(dāng)前狀態(tài)工作20 min 以上，以確保達(dá)到換熱平衡狀態(tài)；之后采用高速攝像機(jī)對(duì)戊烷流動(dòng)特征進(jìn)行拍攝，同時(shí)記錄對(duì)應(yīng)流量與換熱量下管路中所有溫度傳感器、壓力傳感器及壓差傳感器示數(shù)，以便進(jìn)行數(shù)據(jù)處理；實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，依次關(guān)閉加熱棒控制柜和所有離心泵設(shè)備，關(guān)閉管路所有閥門并拆卸測(cè)試段。

（3）進(jìn)行低溫實(shí)驗(yàn)時(shí)，首先確保管路閥門處于低溫管路暢通、常溫管路封閉狀態(tài)。啟動(dòng)變頻風(fēng)機(jī)使系統(tǒng)處于工作狀態(tài)；通過調(diào)節(jié)變頻器及風(fēng)機(jī)出口閥門與旁通管路閥門開度調(diào)節(jié)管路中低溫工質(zhì)的壓力與流量；之后調(diào)節(jié)液氮的流量使進(jìn)入測(cè)試段的工質(zhì)溫度處于設(shè)定值，然后調(diào)節(jié)加熱棒控制柜來調(diào)節(jié)測(cè)試段中的換熱量；等待換熱平衡時(shí)間以及數(shù)據(jù)記錄工作與常溫實(shí)驗(yàn)相同；實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，依次關(guān)閉加熱棒控制柜、液氮出口閥和風(fēng)機(jī)，關(guān)閉管路所有閥門并拆卸測(cè)試段。

3 開設(shè)的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目及教學(xué)效果

目前已開設(shè)的開放實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目包括：

（1）換熱器測(cè)試段流型可視化。以繞管式換熱器殼側(cè)的降膜流動(dòng)過程流型觀測(cè)為例，管間流型直接影響液膜分布和換熱性能，當(dāng)采用常溫的正戊烷冷劑進(jìn)行降膜流動(dòng)時(shí)，利用高速相機(jī)觀察換熱管管間流動(dòng)形態(tài)，通過改變噴淋密度、管間距、管形，研究流型演化及轉(zhuǎn)換規(guī)律，綜合不同實(shí)驗(yàn)參數(shù)擬合出管間流型轉(zhuǎn)變關(guān)聯(lián)式。通過該實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)能夠幫助學(xué)生了解換熱器內(nèi)流型劃分的知識(shí)、掌握?qǐng)D像處理方法、分析出換熱器內(nèi)不同參數(shù)對(duì)降膜流動(dòng)的影響規(guī)律以及認(rèn)識(shí)到多種因素對(duì)換熱性能的影響機(jī)理。圖5 所示給出了實(shí)驗(yàn)過程中觀察到的換熱管管間流動(dòng)形態(tài)變化，圖6 所示為根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果歸納的不同管型管間流型轉(zhuǎn)變的臨界雷諾數(shù)。

圖5 繞管式換熱器管間降膜流型演化特性

圖6 管間流型轉(zhuǎn)變臨界Re數(shù)

（2）繞管式換熱器流動(dòng)與換熱性能測(cè)試實(shí)驗(yàn)。研究繞管式換熱器的流動(dòng)與換熱性能是進(jìn)行該型換熱器設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。通過實(shí)驗(yàn)分析得到結(jié)構(gòu)參數(shù)（管間距、管形），工況參數(shù)（質(zhì)量流量、熱流密度）對(duì)降膜換熱性能的影響規(guī)律，開發(fā)針對(duì)不同管形的換熱和阻力關(guān)聯(lián)式。圖7 所示給出了3 種管形下熱流密度對(duì)換熱性能的影響曲線。由圖可見，以熱流密度對(duì)傳熱系數(shù)影響為例，熱流密度較高時(shí)，傳熱以核態(tài)沸騰為主，沸騰傳熱隨熱流密度的增加而變?nèi)酰@是因?yàn)殡S著熱流密度增加蒸發(fā)量增加，在同樣液膜供給量的前提下，蒸干發(fā)生的概率增大。靠近壁面的液膜吸熱生成氣泡，氣泡向液面遷移的過程中增加液膜擾動(dòng)也對(duì)傳熱有強(qiáng)化作用。當(dāng)熱流密度較小時(shí)，液膜內(nèi)對(duì)流傳熱占主導(dǎo)。在滿足液膜完全覆蓋的前提下，傳熱系數(shù)不受熱流密度的影響。

圖7 3種管形下熱流密度對(duì)換熱性能的影響曲線

（3）印刷電路板換熱器通道內(nèi)流動(dòng)換熱性能測(cè)試。印刷電路板式換熱器（PCHE）是一種高效的微通道換熱器，通道結(jié)構(gòu)對(duì)流動(dòng)換熱特性影響顯著，以綜合性能較優(yōu)的翼型翅片通道為例，在入口雷諾數(shù)為928～2 705的范圍內(nèi)，測(cè)量并計(jì)算了翼型PCHE 通道內(nèi)戊烷工質(zhì)流動(dòng)換熱的換熱系數(shù)及壓降，結(jié)果如圖8 所示，實(shí)驗(yàn)過程中的熱流密度為9.134 kW·m－2。由圖可見，伴隨戊烷入口雷諾數(shù)增加，翼型通道的換熱系數(shù)整體呈上升趨勢(shì)，且上升的幅度越來越大，Re數(shù)從928 增加到2 705 時(shí)換熱系數(shù)增幅約為3 倍，壓降增加3.89倍，壓降增幅高于換熱系數(shù)增加。這是因?yàn)槿肟谫|(zhì)量流量的增大加快了熱量的交換效率，進(jìn)而導(dǎo)致通道的整體換熱性能升高與壓降損失增大。

圖8 不同Re數(shù)下PCHE通道換熱系數(shù)及壓降的變化

通過控制加熱器功率可以調(diào)節(jié)PCHE通道壁面的熱流條件。圖9 所示為不同熱流密度下通道整體換熱系數(shù)及流動(dòng)阻力的變化趨勢(shì)。對(duì)于翼型PCHE通道內(nèi)戊烷兩相換熱實(shí)驗(yàn)，伴隨壁面熱流密度的提升，通道整體換熱系數(shù)與流動(dòng)阻力均成上升趨勢(shì)，且增幅逐漸減緩。這是因?yàn)楦邿崃髅芏认拢环矫媪黧w溫度提升，其密度、黏度隨之降低，從而在質(zhì)量流量一定的前提下增大了流體的流速，進(jìn)而加強(qiáng)了換熱效果與流動(dòng)損失；另一方面，熱流密度的增大會(huì)導(dǎo)致壁面處溫度過高，導(dǎo)致流體產(chǎn)生局部流動(dòng)沸騰現(xiàn)象，產(chǎn)生氣泡流動(dòng)，從而提升了通道的總換熱系數(shù)，但同時(shí)氣泡流產(chǎn)生的擾動(dòng)也加劇了流體對(duì)壁面的沖擊，從而提升了流動(dòng)阻力。

圖9 不同熱流密度下PCHE通道換熱系數(shù)及壓降的變化

4 結(jié) 語

通過本實(shí)驗(yàn)平臺(tái)和測(cè)試實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)，學(xué)生可以綜合性地掌握天然氣液化的工藝流程、換熱器工作原理、實(shí)驗(yàn)操作的方法以及數(shù)據(jù)處理的相關(guān)知識(shí)。在對(duì)天然氣液化實(shí)驗(yàn)裝置介紹的基礎(chǔ)上，將低溫?fù)Q熱設(shè)備的實(shí)驗(yàn)裝置與本科教學(xué)結(jié)合，設(shè)計(jì)了繞管式換熱器以及印刷電路板式換熱器內(nèi)部流動(dòng)和換熱測(cè)試實(shí)驗(yàn)，并將其應(yīng)用于本科生的課程實(shí)驗(yàn)。主要得到以下結(jié)論：

（1）該實(shí)驗(yàn)搭建的小型天然氣液化裝置結(jié)構(gòu)緊湊，便于調(diào)節(jié)和更換，與當(dāng)下主流工藝緊密貼合，具有一定的可靠性，能夠達(dá)到開放教學(xué)實(shí)驗(yàn)的要求。同時(shí)也拓展了相對(duì)應(yīng)的課程內(nèi)容，便于學(xué)生理解和操作。

（2）通過換熱器管束間降膜流動(dòng)特性以及換熱器換熱性能測(cè)試等一系列的實(shí)驗(yàn)，總結(jié)出換熱器影響因素的一般規(guī)律，運(yùn)用數(shù)據(jù)加圖像的處理手法，直觀地呈現(xiàn)出其特性的變化趨勢(shì)。能夠培養(yǎng)學(xué)生的數(shù)據(jù)分析能力，包括從宏觀角度觀察和微觀視角分析，運(yùn)用多思維模式去理解并加以運(yùn)用。

（3）“天然氣液化主低溫?fù)Q熱器流動(dòng)換熱特性”這一教學(xué)實(shí)驗(yàn)來自于科研實(shí)踐，結(jié)合了液化天然氣利用技術(shù)課程的特點(diǎn)，具有較高的科學(xué)性和綜合性。該實(shí)驗(yàn)涉及天然氣液化技術(shù)中較多的知識(shí)點(diǎn)，對(duì)學(xué)生的基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)?zāi)芰τ兄^高的要求。通過對(duì)該實(shí)驗(yàn)進(jìn)行學(xué)習(xí)和操作，這些實(shí)驗(yàn)操作與知識(shí)點(diǎn)交織結(jié)合，可有效地鍛煉學(xué)生的動(dòng)手能力，促進(jìn)學(xué)生對(duì)相關(guān)內(nèi)容的記憶和理解，激發(fā)其學(xué)習(xí)興趣，端正其學(xué)習(xí)態(tài)度。