運行參數對超臨界甲烷流動換熱特性的影響

伍經緯, 鄭文科, 李選平, 姜益強

(1.哈爾濱工業大學建筑學院,黑龍江哈爾濱150001;2.寒地城鄉人居環境科學與 技術工業和信息化部重點實驗室,黑龍江哈爾濱150090;3.廣東美芝制冷設備有限公司, 廣東佛山528300)

1 概述

我國海上天然氣資源十分豐富,有必要對儲量豐富的海上天然氣資源開發利用[1-2],因此常采用液化天然氣的方式進行海上運輸[3]。天然氣液化工藝中的主要設備之一是大型繞管式換熱器,其具有結構緊湊、換熱效率高、運行壓力高的特點,被廣泛應用于混合制冷劑制冷液化工藝中[4]。該換熱器中的天然氣處于超臨界狀態[5]。目前我國大型繞管式換熱器主要依靠進口,為打破國外技術壟斷,為我國大型繞管式換熱器的設計提供重要參考,對超臨界壓力下的天然氣在螺旋管內的換熱特性進行研究非常必要。

液化天然氣的主要組分是烷烴,其中甲烷占絕大多數,另含有少量乙烷、丙烷、CO2、H2S和N2。甲烷體積分數根據產地不同會有細微差別,但一般都在85%以上[6]。在同一結構的換熱器中,甲烷和液化天然氣的傳熱系數差別很小,液化天然氣的物性參數主要由甲烷決定[7],因此本文用甲烷來代替液化天然氣進行數值模擬,其工程計算的準確性可以得到保證。超臨界甲烷的物性參數主要隨著溫度與壓力變化而變化。在壓力恒定時,比定壓熱容隨溫度升高呈現出先增加后降低然后緩慢增加的變化趨勢,密度隨溫度升高不斷減小。在溫度恒定時,密度、熱導率和黏度均隨壓力增大而逐漸增大。所以超臨界甲烷的特殊熱物性是其流動與換熱特性與普通甲烷存在很大差異的主要原因。

國內外關于超臨界甲烷的研究主要集中在豎直管和U形管中。王亞洲等[8]通過數值模擬,詳細分析了直管內超臨界狀態下壓力、熱流密度、入口速度和溫度對甲烷湍流流動和傳熱過程的影響。杜忠選等[9-10]用湍流模型對超臨界甲烷在豎直管內的冷卻換熱進行了數值模擬,研究了質量流率、流動方向、熱流密度和浮升力對傳熱系數的影響。孫鵬等[11]采用有限體積法對超臨界甲烷在U形管道的流動傳熱特性進行模擬研究,主要分析了管道布置形式和彎曲半徑對傳熱系數的影響。此外,針對螺旋管中超臨界壓力下流體流動和傳熱的研究還主要集中在CO2等介質。Yu等[12]利用數值模擬的方法研究超臨界CO2在螺旋槽管中的傳熱和流動特性,揭示了結構參數對傳熱影響的機理。逯國強等[13]針對R134在臥式螺旋管中的流動過程,采用逐漸增大熱通量法對工質在單相對流和過冷沸騰條件下壁溫的分布特性進行研究。劉曉見[14]通過搭建兩相流動傳熱實驗臺以及數值模擬的方式,分別探究了工質R22及水在非均勻熱邊界條件下螺旋管內雙相和單相流動傳熱特性。

綜上,目前對螺旋管內介質是超臨界甲烷的研究較少,且對超臨界甲烷流動換熱特性的研究主要集中在直管和U形管中,尤其對運行參數影響下的換熱特性缺少系統性的研究。本文利用數值模擬方法探究不同運行參數下超臨界甲烷在螺旋管內的流動換熱特性。主要探究質量流率、運行溫度及運行壓力對超臨界甲烷在螺旋管內流動換熱性能的影響規律,為我國大型繞管式換熱器的設計研究提供參考。

2 計算模型建立

2.1 物理模型

繞管式換熱器內由多根螺旋管組成,纏繞結構復雜且實際尺寸較大,綜合計算成本和計算精度,對大型繞管式換熱器管側流動換熱特性的研究可以簡化為對半圈螺旋管內流動換熱特性的研究。對內直徑為10 mm、螺旋直徑為2 000 mm、螺旋升角為10°的螺旋管建立物理模型,見圖1。其中R為螺旋半徑(是螺旋直徑的1/2),β為螺旋升角,指螺旋管管壁上任何一點切線與螺旋管纏繞軸線的垂直平面之間的夾角。

為了確保模擬的準確性,將模型分為發展段和測量段兩個部分,發展段長為800 mm,保證流體流動穩定且接近真實流動工況。

圖1 物理模型

2.2 控制方程

超臨界狀態下螺旋管內流動與換熱的模擬是基于連續性方程、動量方程、能量方程以及湍流模型的求解過程,從而獲得螺旋管內流動中各相關參數的變化情況,最終選取SSTk-ω湍流模型模擬螺旋管內流體流動情況。

2.3 數值方法

本文利用Gambit軟件對計算流體域進行網格劃分[15],采用Fluent軟件對超臨界下甲烷在螺旋管內的流動換熱特性進行模擬。

螺旋管入口采用質量流率入口邊界,入口邊界設置中的湍流指定方法選擇湍流強度及水力直徑,其中湍流強度為5%,水力直徑為螺旋管內直徑。螺旋管出口采用自由邊界出口,壁面均采用定熱流無滑移光滑壁面邊界條件,不考慮壁面厚度,壁面定熱流密度設置為-20 kW/m2,負號表示甲烷向外界環境散熱,為冷卻過程。

此模擬研究中,假定流場是穩態的,流體中的渦旋運動在大尺度上具有相似性,可采用雷諾平均法,且湍流運動主要由剪切應力驅動。工質物性設置選取變物性模型。壓力-速度耦合選用SIMPLEC算法,能量方程、動量方程、湍流強度及湍動耗散率選擇較為嚴格的二階迎風格式。為了保證求解過程的穩定性,在本次計算中除了能量的松弛因子設置為1外,其余松弛因子均設置為0.1。由于本文數值模擬為穩態模擬,因此初始值的設定采用混合初始化的方式。當能量、質量、速度的殘差小于1×10-6時,認定此次模擬計算收斂。

2.4 模型驗證

所建模型與研究方法的準確性及適用性驗證,以及網格無關性驗證見文獻[15]。

3 模擬結果及分析

本文主要研究螺旋管入口溫度、運行壓力(指入口壓力)及質量流率對超臨界甲烷在螺旋管內的表面傳熱系數以及摩擦壓力降的影響。其中入口溫度為200～300 K,運行壓力為7、9、15 MPa,質量流率為200、300、400 kg/(m2·s)。

本文的表面傳熱系數均指測量段的內表面傳熱系數,壓力降也均指測量段的壓力降。表面傳熱系數、摩擦壓力降的計算見文獻[15]。

3.1 入口溫度及運行壓力對流動換熱規律的影響

對質量流率為200 kg/(m2·s)的超臨界甲烷在螺旋管內流動換熱特性展開研究。

① 入口溫度及運行壓力對表面傳熱系數的影響

圖2表示螺旋管內的超臨界甲烷在不同運行壓力下的表面傳熱系數隨入口溫度的變化曲線。由圖2可知,在相同質量流率及運行壓力情況下,超臨界甲烷在螺旋管內的表面傳熱系數隨入口溫度升高呈現出先增加后降低的變化趨勢,且表面傳熱系數在擬臨界溫度附近達到峰值。峰值隨著運行壓力增大而降低,達到峰值時入口溫度隨運行壓力增加而升高。質量流率恒定時,在入口溫度為200 K時,管內表面傳熱系數隨著運行壓力增大而減小。運行壓力越低,表面傳熱系數變化越明顯,當入口溫度為300 K時,表面傳熱系數隨著運行壓力增大而增大。當運行壓力為15 MPa時,表面傳熱系數所達到的峰值為2 214.47 W/(m2·K),運行壓力為9 MPa與15 MPa相比,其峰值變化率為24.5%;而運行壓力為7 MPa與9 MPa相比,其峰值變化率為10.44%。

經分析,認為產生上述現象的主要原因是超臨界甲烷的比定壓熱容會隨溫度增加先增大后減小并在擬臨界溫度處達到峰值,而其密度會隨溫度增加而不斷減小。由于超臨界甲烷物性的變化,且比定壓熱容對換熱性能的影響程度要高于密度對換熱性能的影響程度,因此在質量流率及運行壓力相同的情況下,隨著入口溫度增加,表面傳熱系數隨著溫度升高呈現出先增加后降低的變化趨勢,且具體變化趨勢與比定壓熱容在不同壓力下隨溫度變化趨勢基本一致。

圖2 不同運行壓力下表面傳熱系數隨入口溫度的變化

② 入口溫度及運行壓力對比摩擦壓力降的影響

將單位長度摩擦壓力降稱為比摩擦壓力降。圖3為不同運行壓力下,超臨界甲烷在螺旋管內的比摩擦壓力降隨入口溫度的變化曲線。分析圖3可知,運行壓力及質量流率恒定時,比摩擦壓力降隨著入口溫度升高逐漸增大,且變化率逐漸增加。而在入口溫度及質量流率相同的情況下,比摩擦壓力降隨著運行壓力減小而增加。當運行壓力為15 MPa時,比摩擦壓力降的最大值為253.85 Pa/m,運行壓力為9 MPa與15 MPa相比,其比摩擦壓力降的最大值變化率為35.70%,而運行壓力為7 MPa與9 MPa相比,其比摩擦壓力降的最大值變化率為32.93%。此外,發現隨著運行壓力降低,比摩擦壓力降隨入口溫度的變化趨勢變得愈加陡峭。隨著運行壓力從7 MPa增大至15 MPa,同一運行壓力下的比摩擦壓力降的最大值與最小值相比,其變化率分別為112.64%、63.96%、29.36%。

經分析,超臨界甲烷在運行壓力相同時,其密度隨著溫度升高而降低,因此在質量流率及運行壓力相同的情況下,管內流動速度會隨著入口溫度升高而逐漸增大,從而導致更大的加速壓力降和比摩擦壓力降。由于超臨界甲烷的密度會隨著運行壓力升高而增加,且運行壓力越低密度變化越劇烈。因此在入口溫度及質量流率相同的情況下,管內流速隨著運行壓力升高而降低,從而導致比摩擦壓力降隨著運行壓力升高而減小,且運行壓力越大其變化幅度越小。

圖3 不同運行壓力下比摩擦壓力降隨入口溫度的變化

3.2 質量流率對流動換熱性能的影響

本節主要分析運行壓力7 MPa條件下超臨界甲烷在螺旋管內流動換熱特性。

① 質量流率對表面傳熱系數的影響

圖4表示超臨界甲烷在不同質量流率下表面傳熱系數隨入口溫度的變化曲線。由圖4可知,在運行壓力及質量流率相同的情況下,表面傳熱系數隨著入口溫度增加呈先增加后降低的變化趨勢,并且在7 MPa對應的擬臨界溫度附近達到峰值,峰值隨質量流率增大而升高。而在入口溫度及運行壓力相同的情況下,表面傳熱系數隨質量流率增大而增加,且質量流率越大則表面傳熱系數隨入口溫度變化越明顯。當質量流率為200 kg/(m2·s)時,表面傳熱系數峰值為3 044.88 W/(m2·K),質量流率為300 kg/(m2·s)與200 kg/(m2·s)相比,其峰值變化率為39.78%;而質量流率為400 kg/(m2·s)與300 kg/(m2·s)相比,其峰值變化率為28.24%。發生此現象的主要原因是隨著質量流率增加,螺旋管內的超臨界甲烷湍流強度有所增強,導致流體擾動增強,從而邊界層變薄,因此管道內流動換熱性能有所提升。

圖4 不同質量流率下表面傳熱系數隨入口溫度的變化

② 質量流率對比摩擦壓力降的影響

圖5表示螺旋管內的超臨界甲烷在不同質量流率下比摩擦壓力降隨入口溫度的變化曲線。由圖5可知,在運行壓力及質量流率相同的情況下,比摩擦壓力降隨入口溫度增大而增加;在入口溫度及運行壓力相同的情況下,比摩擦壓力降隨著質量流率增大而增加,并且質量流率越大比摩擦壓力降隨入口溫度變化趨勢越明顯。質量流率為200 kg/(m2·s)時,比摩擦壓力降的最大值為457.91 Pa/m,質量流率為300 kg/(m2·s)與200 kg/(m2·s)相比,其比摩擦壓力降最大值變化率為126.70%;而質量流率為400 kg/(m2·s)與300 kg/(m2·s)相比,其比摩擦壓力降最大值變化率為113.01%。隨著質量流率從200 kg/(m2·s)增大到400 kg/(m2·s),同一質量流率下的比摩擦壓力降的最大值與最小值相比,其變化率分別為112.64%、164.78%、233.91%。當運行壓力相同,入口流速會隨著質量流率增加而增加,因此會產生更大的加速壓力降和比摩擦壓力降。并且比摩擦壓力降與流速的2次方呈正相關關系,從而導致質量流率越大,比摩擦壓力降越大且變化越明顯。

圖5 不同質量流率下比摩擦壓力降隨入口溫度的變化

3.3 出口截面速度及溫度分布

為了更好探究超臨界甲烷在螺旋管內表面傳熱系數及比摩擦壓力降的變化規律,分別選取了不同運行壓力及質量流率下的出口截面進行分析。

① 不同運行壓力下出口截面速度及溫度

圖6為入口溫度300 K、質量流率200 kg/(m2·s)時不同運行壓力下出口截面速度及流線分布。由圖6可知,速度呈中心大四周小的分布,同時在管道兩側有兩個二次渦對稱分布。隨著運行壓力增大,出口截面的平均流速逐漸減小,但運行壓力對二次渦結構以及速度分布形式影響不大。運行壓力對管內流動換熱的影響主要通過影響熱物性體現,對管內二次流影響不大。

圖6 不同運行壓力下出口截面速度及流線分布 (軟件截圖)

入口溫度300 K、質量流率200 kg/(m2·s)時,不同運行壓力下出口截面溫度分布云圖見圖7。由圖7可知,管道外側溫度要小于管道內側溫度,且溫度漸變方向與水平方向成一定夾角,此現象是管道離心力及重力共同作用的效果。此外,運行壓力越大,出口截面的高溫區域越貼近壁面。

圖7 不同運行壓力下出口截面溫度分布云圖(軟件截圖)

② 不同質量流率下出口截面速度及溫度

圖8為入口溫度300 K、運行壓力7 MPa時,不同質量流率下出口截面速度及流線分布。圖6a與圖8a是同一個圖,只是取圖角度和速度顯示范圍不同。由圖8可知,隨著質量流率增加,出口截面的高速區域逐漸趨于管道中心分布且所占面積逐漸變小。此外,隨著質量流率增加,管道內二次流強度有所增強且二次渦結構有所改變,因此認為質量流率對管內流動換熱的影響主要通過影響管內流動狀態體現。

圖8 不同質量流率下出口截面速度及流線分布 (軟件截圖)

圖9為入口溫度300 K、運行壓力7 MPa時,不同質量流率下出口截面溫度分布云圖。由圖9可知,隨著質量流率增大,出口截面的溫差由16 K降低至6 K,且溫度漸變方向與水平方向夾角逐漸減小。由于管道中流體受到離心力及重力共同作用,隨著質量流率增大,管內流體所受離心力增大,從而導致溫度漸變方向有所改變。

圖9 不同質量流率下出口截面溫度分布云圖(軟件截圖)

4 結論

① 質量流率、運行壓力恒定時:表面傳熱系數隨入口溫度升高呈現先增加后降低的變化趨勢,且在擬臨界溫度附近達到峰值;比摩擦壓力降隨入口溫度升高逐漸增加。

② 質量流率、入口溫度恒定時:比摩擦壓力降隨運行壓力減小而增加。

③ 運行壓力、入口溫度恒定時:表面傳熱系數隨質量流率增大而增加,且質量流率越大,表面傳熱系數隨入口溫度變化越明顯;比摩擦壓力降隨質量流率增大而增加,且質量流率越大,比摩擦壓力降隨入口溫度變化趨勢越明顯。

④ 入口溫度、質量流率恒定時:隨著運行壓力增大,出口截面的平均流速逐漸減小,但二次渦結構以及速度分布形式變化不大;運行壓力越大,出口截面的高溫區域越貼近壁面。

⑤ 入口溫度、運行壓力恒定時:隨著質量流率增加,出口截面的高速區域逐漸趨于管道中心分布且所占面積逐漸變小,管道內二次流強度有所增強且二次渦結構有所改變;出口截面的溫差降低,且溫度漸變方向與水平方向夾角逐漸減小。