朱建魯 季 鵬 李玉星 王武昌 高 嵩

(中國石油大學(華東)儲運與建筑工程學院 青島 266580)

板翅式換熱器(PFHE, Plate Fin Heat Exchangers)由于其結構緊湊、質量小、效率高和制冷劑易于填充等特點，廣泛應用于空氣分離、石油化工，航空航天等領域。國內(nèi)外學者針對板翅式換熱器封頭結構的工質分配進行了深入的研究， Ranganayakulu C H[1]研究了板翅式換熱器內(nèi)部物流和溫度的分布，發(fā)現(xiàn)工質分配的不均勻性是引起換熱器效能下降的主要因素；張哲[2]建立了板翅式換熱器封頭結構的湍流數(shù)學模型，通過模擬計算發(fā)現(xiàn)封頭內(nèi)部工質分配存在嚴重的不均勻性，在此基礎上提出了改進型封頭結構；文鍵[3]利用粒子圖像測速儀(PIV)，對板翅式換熱器封頭結構改進前、后的流場進行了可視化實驗研究，結果表明加入打孔擋板后封頭結構流場的均勻性得到很大改善； Mayuekumar S.[4]對板翅式換熱器封頭結構的物流分布進行了較為全面的研究，分析了結構尺寸改變引起的分配特性的變化，結果表明封頭結構會導致工質分配不均，出口流道的尺寸以及相對入口管的位置對工質分配有顯著影響。目前針對封頭結構工質分配特性和結構改進的研究都局限于平穩(wěn)狀態(tài)下，然而海上平臺受到海浪的作用會發(fā)生晃動和傾斜，從而影響板翅式換熱器的封頭工質分配，對整個液化裝置運行的穩(wěn)定性和安全性產(chǎn)生不利影響，因此傾斜狀態(tài)下板翅式換熱器封頭工質分配特性的研究顯得尤為迫切。

關鍵設備中流體晃蕩特性的敏感性研究主要有數(shù)值模擬和實驗研究兩種方法。Kim[5]對兩維和三維的液體容器中的晃動流動利用有限差分方法進行了模擬；陳海陽等[6]基于 VOF 模型模擬二維 SPB 型液艙內(nèi)儲液的晃動特性，并利用實驗數(shù)據(jù)對模型的計算結果進行了驗證；Akildiz 等[7]對縱搖水箱進行了晃蕩液體壓力分布的實驗研究；顧妍[8]編寫了管道搖擺運動函數(shù)的 UDF 程序，采用動網(wǎng)格模型，模擬搖擺運動頻率、角度和流動速度對低溫管道內(nèi)液體傳輸特性主要是壓力的影響，研究 FPSO 平臺運動對低溫液體輸送系統(tǒng)的影響；Thomas Lex等[9]建立了兩套實驗裝置對繞管式換熱器(SWHE, Spiral Wound LNG Heat Exchangers) 不同傾斜角下液體分布的不均勻性以及晃蕩工況下的換熱性能分別進行了研究，結果表明氣相含量越大流體分配均勻性提高，溫度分布隨晃蕩呈周期性的變化；Cullinane等[10]對有關浮式裝置上填料塔性能受晃動影響的研究進行了綜述，指出影響塔效率的主要因素是分離過程的平衡程度。國內(nèi)外的相關研究主要集中在液艙晃蕩特性以及塔器、分離器對晃蕩的敏感性，關于惡劣工況(晃動/傾斜)下板翅式換熱器封頭工質分配特性的研究較少。

在中國石油大學(華東)油氣儲運工程綜合實驗室，搭建了空氣—水兩相流工質分配實驗裝置。通過水平和傾斜狀態(tài)下封頭結構的單相流(空氣/水)、氣液兩相流工質分配的實驗，來研究傾斜狀態(tài)下氣液比和傾斜角對封頭工質分配的影響，并與水平工況進行對比，得到傾斜對封頭性能的影響程度，從而為晃蕩對板翅式換熱器性能影響的研究提供依據(jù)。

1 實驗系統(tǒng)

實驗系統(tǒng)主要由空氣系統(tǒng)、水路系統(tǒng)、封頭結構以及分離測量系統(tǒng)四個部分組成。實驗流程如圖1所示，空氣經(jīng)壓縮機壓縮后儲存在空氣緩沖罐中，實驗時開啟空氣緩沖罐出口控制閥，空氣依次經(jīng)氣體流量計和整流器后流入封頭結構，通過管路閥門調(diào)節(jié)流量；水池中的水經(jīng)離心泵加壓，依次經(jīng)過過濾器、液體流量計、流量調(diào)節(jié)閥和整流器后流入封頭結構，通過水泵回流管線上的閥門調(diào)節(jié)流量；氣/液混合后，經(jīng)整流器消除紊流后進入封頭結構，流體被分配至不同通道中；切換三通閥使得進入各通道的流體進入緩沖罐或測量分離器中進行測量，空氣經(jīng)測量分離器頂部的氣體流量計計量后放空，水通過分離器液位的累計計量或經(jīng)分離器底部的液體流量計進行瞬時流量計量。

圖1 實驗裝置示意圖

板翅式換熱器封頭結構由入口管、半圓柱和出口通道三部分組成，幾何結構如圖2所示，入口管直徑50 mm、高300 mm，半圓柱長400 mm、半徑50 mm，出口由18個對稱分布的長方體通道組成，尺寸為150 mm×100 mm×6.35 mm。實驗中管路系統(tǒng)直徑為20 mm，三通閥直徑為8 mm，為了減小流動阻力，在封頭的入口和出口分別加工和安裝了20/50和8/100的錐形變徑。

圖2 實驗封頭和切換計量結構

實驗介質為水和空氣，工況參數(shù)范圍：空氣流量0～12 N m3/h，氣體壓力0～0.5 MPa，水流量0.8～6 m3/h，水路壓力0～0.3 MPa，室溫15～30 ℃，水溫15～30 ℃。由于實驗工況下封頭出口單個流道的流量偏低，流量計無法準確的進行單個流道的測量，因此采用分組測量的方法，即同時測量相鄰或對稱若干流道的流量值而后取平均。由于壓縮機、水泵的出口壓力和流量不能保持完全穩(wěn)定，分離測量系統(tǒng)中手動調(diào)節(jié)閥的開度存在人為誤差，因此入口條件和阻力特性的誤差會導致實驗數(shù)據(jù)的系統(tǒng)性偏差。

實驗測量系統(tǒng)主要包括：氣相入口/出口流量、液相入口/出口流量、入口壓力、封頭內(nèi)部壓力、緩沖罐壓力、分離器壓力。其中液相入口流量測量采用渦輪流量計，精度為1.0%；液相出口流量采用浮子流量計，精度為1.5%；氣相流量測量均采用浮子流量計，精度為1.5%；防震壓力表測量壓力，精度為2.5%。

2 水平狀態(tài)下下封頭工質分配特性

為了比較不同通道的工質分配情況，采用流量比例描述通道流量分配情況，即流道的出口流量占該時刻入口總流量的百分比，全部流道流量比例之和為100%。流量比例用Dk,i表示，Dk,i越小通道分配所得流量越小，反之越大。

(1)

式中：當k為l時表示液相，當k為g時表示氣相；i表示封頭出口通道編號。

為使得封頭的工質分配情況具有可比性，引入標準方差指標，可以反映不同工況下封頭出口通道的不均勻性，用STDk(standard deviation)表示，其數(shù)值越小代表出口通道的氣液分布越均勻，反之，則表明分布不均，其中實驗封頭結構N=18。

(2)

2.1 純水工質分配實驗

進行純水實驗時，管路壓力穩(wěn)定后，調(diào)節(jié)入口流量依次為3.7 m3/h、3.0 m3/h、2.4 m3/h和1.6 m3/h，雷諾數(shù)變化范圍1.13×104～2.61×104，研究不同雷諾數(shù)下封頭工質分配情況。

如圖3所示，純水工況下封頭工質分配很不均勻，流道的流量分布呈現(xiàn)中間高兩端低的規(guī)律，流體進入封頭后直接沖刷封頭端面，一部分從中部四個流道(8#、9#、10#、11#)直接流出，另一部分無法直接流出則形成渦流向兩端流動，距封頭端面中心越遠，流體速度越小流道流量也越低。封頭工質分配的STD值隨雷諾數(shù)的增加而增大，這是由于隨著雷諾數(shù)的提高，進入封頭的流體的流速越大，8#、9#、10#、11#四個流道的流量比例越大，經(jīng)兩側流道流出的流量減小，工質分配越不均勻，雷諾數(shù)最低為11270時STD值僅0.475，當雷諾數(shù)增大到26060時STD值約0.725，封頭工質分配的不均勻性加劇。

2.2 純氣工質分配實驗

實驗封頭和緩沖罐均由有機玻璃材料制成，承壓低，為保證安全空氣流量不宜過大，并且緩沖罐出口應與大氣相通。實驗過程中空氣流量從高向低進行調(diào)節(jié)，依次進行流量為10 Nm3/h、8 Nm3/h、6 Nm3/h和2 Nm3/h的實驗，雷諾數(shù)變化范圍為970～4845，研究不同雷諾數(shù)下封頭工質分配情況。

圖3 純水工況下封頭工質分配特性

如圖4所示，純氣和純水工況下封頭工質分配規(guī)律以及流量標準方差變化情況一致，流道的流量比例中間高兩端低，STD值隨入流空氣雷諾數(shù)的增加而增大，說明雷諾數(shù)越大工質分配越不均勻；8#、9#、10#、11#四個流道的流量比例在7%左右，但封頭兩側的其他流道的流量比均在5.25%左右，這是由于兩側流道的流量取決于半圓柱結構內(nèi)部與流道出口的壓力差，氣體的可壓縮性導致半圓柱結構內(nèi)部的壓力保持一致，因此封頭兩側14個流道的流量基本相同。

圖4 純氣工況下封頭工質分配特性

2.3 氣液兩相工質分配實驗

實際生產(chǎn)過程中的板翅式換熱器中兩相流居多，特別是混合制冷劑液化工藝和級聯(lián)式液化工藝，因此氣液兩相流工況下的封頭工質分配特性實驗是本文研究的重點。實驗中依次調(diào)節(jié)空氣和水的流量，得到表1中的實驗工況，分別研究不同工況下液相和氣相的分配規(guī)律。

表1 水平狀態(tài)下氣液兩相實驗工況

如圖5所示，氣液兩相流工況下液相工質分配規(guī)律與純水工況下保持一致，流道的流量比例中間高兩端低，由于氣體可壓縮性的影響，相鄰區(qū)域的流道流量比例差異較純液工況??；隨著入口流量氣液體積比由1.1增大到10.2，封頭液相工質分配的STD從1.2上升到1.5，比相同流量范圍的純水工況STD值大，說明氣體的加入干擾了原液相流場，氣相流量越大工質分配越不均勻，雖然氣液比增大的同時液相流量減少，但是氣液兩相流型隨著氣液比的增大由氣泡流、段塞流發(fā)展到彌散流，液相不能連續(xù)分配，并且氣體提高了系統(tǒng)的壓力，加速了兩相流動速度，使得流場趨于復雜紊亂，因此液相不均勻度增大。

圖5 氣液兩相下封頭液相工質分配特性

圖6 氣液兩相下封頭氣相工質分配特性

如圖6所示，氣液兩相流中氣相工質分配的規(guī)律與液相工質分配規(guī)律截然相反，流道的流量比例中間低兩端高，氣液比較大的情況下，除中間四個流道外，距端面中心越遠，流量比例越小，在氣液比較小的情況下，距端面中心越遠，流量比例越大，但最外側流道流量減小，這是由于水的密度大、慣性大，從而具有更大的動能從中間流道順利流出，相反由于空氣密度小并且可壓縮，中間流道被水充滿后壓力上升，除小部分氣泡被液相帶走外，大部分空氣被迫從兩側的流道流出，且氣液比越小，此現(xiàn)象越明顯；氣液比從1.1上升至10.2，STD值從1.4增大至2.2，可見液相的加入嚴重擾亂了氣體的分配，主要原因是液相的排擠，以及兩相流動時，氣液比越大，系統(tǒng)壓力越高，氣相流速越大，分配越不均勻。

3 傾斜狀態(tài)下封頭工質分配特性

實際生產(chǎn)中海上平臺受海浪的作用會發(fā)生晃動與傾斜，從而影響設備的工作性能，本節(jié)通過實驗的方法從不同氣液比和不同傾斜角兩個角度研究封頭的兩相工質分配特性，為封頭的改進與安裝提供依據(jù)。如圖7所示，將封頭結構安裝于傾斜實驗平臺上，調(diào)整至一定角度固定后開展實驗，圖中流道從左至右編號依次為1#至18#，編號越大代表傾斜后位置越低。

圖7 傾斜狀態(tài)下的封頭結構

3.1 傾斜狀態(tài)下純水分配實驗

1)不同雷諾數(shù)對比實驗

將封頭結構傾斜至20.12°，保持傾斜角不變，通過入口閥調(diào)節(jié)水的流量，得到四組實驗的入口流量，分別為3.74 m3/h、2.93 m3/h、2.00 m3/h和1.00 m3/h，對應的雷諾數(shù)依次為26342、20636、14086和7043，研究不同雷諾數(shù)下傾斜封頭的工質分配特性。

通過圖8可看出，傾斜改變了純水在封頭中的工質分配規(guī)律，由于重力作用，對稱的流道位置較低的一側流量比例較大，同時保留了中間四個流道的流量較周圍流道流量大的趨勢，但已被最低端的流道超過，說明重力作用效果已超過了慣性力的作用效果，最高端流道流體受重力與慣性力的雙重作用，流量明顯減少；雷諾數(shù)相同時，傾斜狀態(tài)下的STD值明顯大于水平狀態(tài)下的STD值，說明重力作用嚴重影響了純水在封頭中的工質分配，使其不均勻性加劇，但傾斜與水平狀態(tài)下兩條曲線幾乎平行，說明慣性力對工質分配的影響受重力作用影響不大。

圖8 傾斜狀態(tài)下流量對純水工質分配特性的影響

2)不同傾斜角對比實驗

調(diào)節(jié)入口流量穩(wěn)定在2.93 m3/h，實驗中將封頭結構依次傾斜至6.43°、13.53°和20.12°，測量不同傾斜角時封頭不同流道的流量值，研究傾斜角對純水工質分配的影響。

圖9 傾斜狀態(tài)下傾斜角對純水工質分配特性的影響

通過圖9可看出，傾斜角度越大，低處通道流量比例越大，高處通道的流量比例越小，中間流道的流量優(yōu)勢仍然存在，但與水平狀態(tài)相比優(yōu)勢程度降低很多，這是因為重力作用逐漸增強，代替了慣性力作用的主導地位；隨著傾斜角度的增大，重力作用不斷加強，傾斜角由0°增加到20.12°，封頭工質分配的STD值由0.61線性增加到1.07，說明傾斜角度越大純水工況下封頭工質分配越不均勻。因此，封頭固定或換熱器安裝時應嚴格保證其水平狀態(tài)。

3.2 傾斜狀態(tài)下氣液兩相分配實驗

在進行傾斜狀態(tài)下純氣工質分配實驗時，發(fā)現(xiàn)測量結果與水平狀態(tài)下完全一致，而且不同傾斜角度下通道流量沒有明顯變化，傾斜對純氣工況下封頭工質分配的影響幾乎沒有，這是因為氣體密度小可壓縮，導致重力作用不明顯。實際生產(chǎn)過程中的板翅式換熱器中兩相流居多，進行傾斜狀態(tài)下的氣液兩相流分配實驗，研究不同氣液比和不同傾斜角對分配特性的影響尤為重要。

1)不同氣液比對比實驗

實驗中將封頭結構傾斜至20.12°并固定，傾斜方向與純水工況傾斜方向一致，通過流量調(diào)節(jié)閥控制入口氣液的流量，得到表2中的實驗工況，研究不同氣液體積比下傾斜封頭的工質分配特性。

表2 傾斜狀態(tài)下氣液兩相實驗工況

如圖10所示，傾斜狀態(tài)下兩相流工況中液相分配規(guī)律與純水工況分配規(guī)律一致，位置較低一側流道的流量比例較大，中間流道保持流量優(yōu)勢，并且隨著氣液比的增加，低處通道的液相流量比例增加，高處通道的液相流量比例減少，氣液比為7.0時，1#-4#通道液相流量為零，而氣液比為10.0時，1#-7#通道沒有液相流量，說明氣相流量的增加以及重力作用的共同影響，使得高處氣相壓力升高，從而導致低處流道的液相流量增加，高處流道的液相流量減??；相同氣液比工況下傾斜狀態(tài)的STD值明顯大于水平狀態(tài)的STD值，氣液比越大，二者的STD差值越大，說明重力作用不僅加劇了液相分配的不均勻性，而且加強了氣液比對液相分配的影響。

圖11 傾斜狀態(tài)下氣液比對兩相流中氣相工質分配特性的影響

如圖11所示，傾斜狀態(tài)下，液相集中在低處，中部為氣液兩相，高處為純氣相，因此15#-18#流道氣相流量均為零，流道位置越高氣相流量比例越大，中間流道的流量優(yōu)勢消失， 1#流道距入口管過遠流量比例有所下降；隨著氣液比的增大，8#-14#流道的氣相流量比例不斷減小，而1#-7#流道氣相流量比例不斷增加，與液相變化規(guī)律相反；氣液比相同，傾斜狀態(tài)下的STD明顯高于水平狀態(tài)下的STD，但是氣相密度小可壓縮，重力作用影響小，二者的STD差值沒有隨著氣液比的增加而擴大，說明傾斜加劇了氣相的分配不均勻性，但沒有加強氣液比對氣相分配的影響。

2)不同傾斜角對比實驗

控制氣液流量使其穩(wěn)定在工況6的條件下，實驗過程中將封頭結構依次傾斜至6.43°、13.53°和20.12°，測出不同傾斜角下封頭不同流道的流量，研究傾斜角對工質分配特性的影響。

通過圖12可看出，傾斜導致低處流道的液相流量大于水平狀態(tài)下的流量，高處流道液相流量則低于水平狀態(tài)下的流量，且隨著傾斜角的增大，重力作用越顯著，低處流道的液相流量不斷增大，高處流道的液相流量不斷減??；傾斜角由0°增加至20.12°，封頭工質分配的STDl由1.3線性增加到3.9，說明傾斜角越大封頭液相工質分配越不均勻。

圖12 傾斜狀態(tài)下傾斜角對兩相流中液相工質分配特性的影響

圖13 傾斜狀態(tài)下傾斜角對兩相流中氣相工質分配特性的影響

如圖13所示，傾斜導致高處流道的氣相流量大于水平狀態(tài)下的流量，低處流道的氣相流量則低于水平狀態(tài)下的流量，隨著傾斜角的增大，低處流道氣相流量減小而高處流道的流量增加；傾斜角由0°增加至20.12°，封頭工質分配的STDg由1.75增加到5.23，傾斜角越大封頭氣相工質分配越不均勻，說明重力作用的增強使得封頭氣相工質分配的不均勻性加劇。

4 結論

通過空氣—水兩相工質分配實驗系統(tǒng)，分別進行封頭結構水平狀態(tài)和傾斜狀態(tài)下的單相(空氣/水)以及氣液兩相工質分配實驗，獲得不同實驗工況下的封頭工質分配特性，研究傾斜對封頭工質分配的影響，從而為晃蕩對板翅式換熱器性能影響的研究提供依據(jù)，得到以下結論：

1)造成水平狀態(tài)下單相工質分配不均勻的主要因素是慣性力的作用，流道的流量均呈現(xiàn)中間高兩端低的規(guī)律，雷諾數(shù)增大，慣性力作用增強，不均勻性加劇，氣液兩相流分配時液相與氣相相互影響，中間通道被液相占據(jù)，氣相被迫從兩側的通道流出，工質分配更加不均勻，氣液比增加，相互影響程度加深，分配不均勻性加??；

2)傾斜狀態(tài)下的工質分配受到慣性力和重力的共同作用，氣相的密度遠小于液相，其所受重力作用小，因此傾斜對氣相的工質分配幾乎沒有影響，而液相工質分配的均勻程度顯著低于水平狀態(tài)，雷諾數(shù)或氣液比的增加會導致慣性力的增強，傾斜角的增大則會造成重力作用的顯著提高，二者均會導致工質分配不均勻性的加??；

3)傾斜狀態(tài)下，慣性力與重力作用相互影響，重力作用會增強慣性力作用的效果，導致工質分配不均勻性的顯著提高，因此在固定封頭或安裝換熱器時應嚴格保證其水平/垂直狀態(tài)，工藝設計時可在混合冷劑節(jié)流后增加分離器，只有液相進入換熱器換熱，氣相返回壓縮機增壓，使液相充滿封頭，減小傾斜的影響，或者在換熱器設計時，采用“先分配、后混合”的方法[11]，氣液分別進入分配器混合后，再進入板翅式換熱器進行換熱，可以有效改善傾斜狀態(tài)下工質分配效果。

符號說明

mk,i——第i通道中第k相質量流量，kg/s

Σmk,i——全部通道第k相質量流量，kg/s

Dk,i——第i通道第k相的流量比例，%

STDk，STDl，STDg——k相、液相、氣相的標準方差

下標

k，l，g——k代表相態(tài)，其中當k為l時代表液相，為g時代表氣相

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