密曉光，陳杰，余思聰，丁超，胡海濤，丁國良*

（1-中海石油氣電集團技術(shù)研發(fā)中心，北京 100028；2-上海交通大學(xué)制冷與低溫工程研究所，上海 200240）

0 引言

繞管式換熱器具有結(jié)構(gòu)緊湊、能實現(xiàn)多種介質(zhì)同時換熱、操作壓力高、熱膨脹可自行補償以及易于實現(xiàn)大型化的特點，被全球90%的大、中型陸基天然氣液化工廠選為主低溫換熱器[1-4]。在LNG繞管式換熱器中，管側(cè)工質(zhì)為超臨界態(tài)的天然氣混合工質(zhì)，殼側(cè)工質(zhì)為兩相態(tài)的烷烴混合工質(zhì)[5-6]，如圖1所示。LNG繞管式換熱器殼側(cè)壓降是天然氣液化工藝流程設(shè)計的主要考慮因素，在不同的運行工況和工質(zhì)組分下，LNG換熱器壓降特性有明顯不同[7]。因此，為了實現(xiàn)天然氣液化工藝流程設(shè)計，需要對兩相工質(zhì)在 LNG繞管式換熱器殼側(cè)壓降特性的影響因素進行實驗研究。

已有關(guān)于LNG繞管式換熱器殼側(cè)壓降特性的研究主要集中在氣相流[8]。已有研究結(jié)果表明：在LNG繞管式換熱器殼側(cè)，對于甲烷/乙烷二元混合工質(zhì)，摩擦壓降的影響因素主要是雷諾數(shù)（Re），且摩擦壓降隨Re數(shù)的增加而增大[8]。

然而，對于實際的 LNG繞管式換熱器，殼側(cè)流體為兩相態(tài)的烷烴混合工質(zhì)[9-11]，從殼側(cè)進口至出口，殼側(cè)流體的干度逐漸增加，變化范圍在0.2～0.9[6,12]，超出已有研究對應(yīng)的氣相流的工況范圍。由于工況上的巨大差異，已有研究的結(jié)論可能無法直接應(yīng)用于LNG繞管式換熱器。

本文的目的是通過對兩相態(tài)的烷烴混合工質(zhì)在LNG繞管式換熱器殼側(cè)壓降特性的實驗研究，得到殼側(cè)兩相流壓降特性隨各影響因素的變化規(guī)律。

圖1 LNG繞管式換熱器流程示意

1 實驗裝置與實驗原理

實驗裝置為壓縮機驅(qū)動的閉式循環(huán)系統(tǒng)，原理圖如圖2所示[6]。該裝置由測試流路、輔助冷卻流路、旁通流路組成。

在測試流路中，壓縮機是驅(qū)動設(shè)備，為了避免實驗介質(zhì)與潤滑油接觸，保證實驗介質(zhì)的純度，本研究選用了變頻隔膜式壓縮機。實驗介質(zhì)從壓縮機出口流出后，經(jīng)前置與后置板式換熱器冷卻至過冷液態(tài)，其中前置板換處的冷量由R22冷卻機組提供，后置板換處的冷量由液氮提供。隨后，實驗介質(zhì)經(jīng)節(jié)流閥節(jié)流膨脹，流入前置電加熱器。在前置電加熱器內(nèi)，介質(zhì)會加熱至實驗設(shè)定好的干度，隨后流入測試樣件實現(xiàn)壓降的測量。完成壓降測量后，實驗介質(zhì)離開測試樣件，經(jīng)后置電加熱器達到氣態(tài)后，流回壓縮機。

在測試流路中，后置板式換熱器的下游管線、后置電加熱器的下游管線上各布置有一個實驗介質(zhì)取樣口，分別是取樣口#1、取樣口#2。這兩個取樣口均由支路管線、截止閥和堵心組成。當實驗系統(tǒng)運行穩(wěn)定后，從取樣口#1 和取樣口#2同時對實驗工質(zhì)進行取樣，并通過SHIMADZU GC-2010型氣相色譜儀對取樣樣本進行色譜分析，當從取樣口#1與取樣口#2 得到的樣本中的各組分摩爾分數(shù)偏差均小于 1%時，認為取樣口#1 與取樣口#2 的樣本具有一致性，表明實驗系統(tǒng)運行穩(wěn)定且取樣有效，并將兩個樣本相應(yīng)組分的摩爾分數(shù)平均值作為實驗系統(tǒng)內(nèi)實驗工質(zhì)的摩爾分數(shù)。

圖2 實驗裝置

2 測試樣件與實驗工況

本研究選取LNG繞管式換熱器殼側(cè)的纏繞管束微元作為作為測試樣件。該測試樣件的管徑、管間距、螺旋升角等結(jié)構(gòu)參數(shù)的取值與實際LNG繞管式換熱器一致。按從上到下的空間順序，測試樣件分為均流穩(wěn)流段、測試段和觀察段三部分，如圖3所示。測試樣件的結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)如表1所示。

圖3 測試樣件示意圖

表1 測試樣件結(jié)構(gòu)尺寸

均流穩(wěn)流段是由兩層多孔均流板與10排管束，其作用是實現(xiàn)流體均勻分布與流型穩(wěn)定。

測試段是由 20排管束組成，其作用是實現(xiàn)對流體壓降的測量。在壓降測試段的進出口布置有高精度的壓差變送器（精度0.2% FS），在該測試段的入口布置有高精度的壓力變送器（精度0.1% FS）用來測試流體的蒸發(fā)壓力。其中壓差測點與壓力測點的引壓管線均通過卡套接頭固定。

觀察段的作用是實現(xiàn)測試樣件內(nèi)流型的觀測。觀察段的可視化視窗采用帶真空夾層的雙層石英玻璃結(jié)構(gòu)，能夠阻止水汽接觸視鏡，有效地杜絕了低溫流體觀測中會出現(xiàn)的結(jié)霜問題。

測試樣件整體采用氣凝膠絕熱層與瑪蹄脂防潮層的保冷方式。經(jīng)核算，測試樣件漏熱引起的實驗介質(zhì)干度變化不超過 0.002，因此本實驗屬于絕熱實驗。

LNG繞管式換熱器殼側(cè)的介質(zhì)是烷烴類混合介質(zhì)[10-11]。本文選用純丙烷、乙烷/丙烷二元混合工質(zhì)為實驗介質(zhì)，測試工況基于 LNG繞管式換熱器的殼側(cè)典型運行工況選取[6,12]，如表2所示。

表2 實驗工況

3 數(shù)據(jù)導(dǎo)出與誤差分析

本實驗為絕熱實驗，加速壓降可以忽略，因此殼側(cè)摩擦壓降可以由公式(1)計算得到，

式中：

ΔPfrict——摩擦壓降，Pa；

ΔPtotal——壓差變送器測量的總壓降，Pa；

ΔPgrav——重力壓降，Pa。

公式(1)中的重力壓降值ΔPgrav通過公式(2)計算得到。

式中：

ε——空泡系數(shù)，通過Xu模型計算得到[13]；

ρg——氣相的密度，kg/m3；

ρl——液相的密度，kg/m3；

g——重力加速度，m/s2；

Hm——測試樣件內(nèi)測試段的高度，m。

本研究中涉及到的物性參數(shù)通過 GERG-2004天然氣混合物物性模型計算得到[14]。

考慮實驗儀表及設(shè)備的精度，根據(jù)參考文獻[15]的誤差分析方法，得出換熱系數(shù)的誤差小于±0.2%，具體如表3所示。

表3 實驗參數(shù)測量精度

4 實驗結(jié)果與分析

4.1 運行工況對壓降特性的影響

丙烷介質(zhì)、乙烷/丙烷二元混合介質(zhì)在LNG繞管式換熱器殼側(cè)的摩擦壓降如圖4所示。從圖中可以看出，摩擦壓降隨質(zhì)流密度和干度的增加而增大，且摩擦壓降的增長梯度隨干度的增加而增大。

4.2 混合工質(zhì)組分對壓降特性的影響

為了分析混合工質(zhì)組分變化對摩擦壓降的影響，本研究定義了混合工質(zhì)摩擦壓降影響因子PF，表示為乙烷/丙烷二元混合工質(zhì)摩擦壓降與相同工況下純丙烷介質(zhì)摩擦壓降的比值，如公式(3)所示。

式中：

PF——混合工質(zhì)摩擦壓降影響因子；

ΔPpropane,frict——丙烷工質(zhì)的摩擦壓降，Pa；

ΔPethane/propane,frict——相同工況下乙烷/丙烷二元混合工質(zhì)的摩擦壓降，Pa。

圖4 純丙烷介質(zhì)與乙烷/丙烷混合介質(zhì)在LNG繞管式換熱器殼側(cè)的摩擦壓降（質(zhì)流密度：60 kg/(m2?s)）

圖5為不同乙烷/丙烷摩爾配比下PF因子值隨干度的變化情況。經(jīng)分析可以得到，在實驗工況范圍內(nèi)，PF因子隨干度的增加而增大，其數(shù)值分布范圍在 0.83～1.41之間。乙烷/丙烷摩爾配比對PF因子值的影響為：當干度小于0.4時，PF因子值小于 1.0，且隨乙烷摩爾分數(shù)的增加而減小，這表明乙烷/丙烷混合介質(zhì)摩擦壓降小于相同工況下純丙烷介質(zhì)的摩擦壓降，且隨著乙烷摩爾分數(shù)的增加，混合物的摩擦壓降逐漸降低，在實驗工況范圍內(nèi)乙烷/丙烷混合介質(zhì)的摩擦壓降比純丙烷介質(zhì)至多小17%；當干度大于0.6時，PF因子的值大于1.0，且隨乙烷摩爾分數(shù)的增加而增大，這表明乙烷/丙烷混合介質(zhì)摩擦壓降大于相同工況下純丙烷介質(zhì)的摩擦壓降，且隨著乙烷摩爾分數(shù)的增加，混合物的摩擦壓降逐漸增大，在實驗工況范圍內(nèi)乙烷/丙烷混合介質(zhì)的摩擦壓降比純丙烷介質(zhì)至多大41%。造成上述現(xiàn)象的原因是：

1）當干度小于0.4時，流體流速較慢，殼側(cè)兩相流體呈現(xiàn)出降膜流流型[6]，附著在管壁上的液膜主要在重力的作用下向下流動，流體所受的摩擦力主要取決于管壁與液膜之間的粘性作用。隨著乙烷摩爾分數(shù)的增加，液相流的動力粘度增加，導(dǎo)致摩擦壓降增大。

2）當干度大于0.6時，流體流速加快，流型轉(zhuǎn)化至剪切流流型[6]，附著在管壁上的液膜主要在氣相剪切力的作用下向下流動，流體所受的摩擦力主要取決于氣相流的流速。隨著乙烷摩爾分數(shù)的增加，氣相流的密度減小，引起氣相流流速的提升，導(dǎo)致摩擦壓降增大。

圖5 不同乙烷丙烷摩爾配比下PF因子隨干度的變化

4 結(jié)論

本文對 LNG繞管式換熱器殼側(cè)兩相態(tài)烷烴混合工質(zhì)壓降特性的影響因素進行實驗研究，在實驗工況范圍內(nèi)，得到如下結(jié)論：

1）殼側(cè)兩相流摩擦壓降隨質(zhì)流密度和干度的增加而增大，且壓降的增長梯度隨干度的增加而增大；

2）在干度小于0.4的工況下，殼側(cè)兩相流摩擦壓降隨乙烷摩爾分數(shù)的增加而減??；

3）在干度大于0.6的工況下，殼側(cè)兩相流摩擦壓降隨乙烷摩爾分數(shù)的增加而增大。

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