鹿來(lái)運(yùn)，姜益強(qiáng)，汪耀龍，花亦懷，劉凱月，鄭文科

(1.中海石油氣電集團(tuán)有限責(zé)任公司，北京 100027；2.哈爾濱工業(yè)大學(xué) 建筑學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150090；3.寒地城鄉(xiāng)人居環(huán)境科學(xué)與技術(shù)工業(yè)和信息化部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，黑龍江 哈爾濱 150001)

0 引言

大型陸上LNG液化工廠和浮式LNG液化儲(chǔ)存工藝中的主低溫?fù)Q熱器主要為繞管式換熱器[1]，其結(jié)構(gòu)是在中心筒上用小直徑管以螺旋狀進(jìn)行纏繞，然后安置于殼體中，換熱器的外筒、纏繞管束和封頭構(gòu)成了殼側(cè)空間[2]。通常，天然氣在管側(cè)由下向上流動(dòng)被液化，冷劑在殼側(cè)由上向下流動(dòng)提供冷量[3]，殼側(cè)空間集中了主要熱阻，殼側(cè)冷劑流體的流動(dòng)對(duì)換熱器的換熱性能有顯著的影響，兩相冷劑流體分配不均會(huì)使換熱管之間產(chǎn)生熱應(yīng)力，影響設(shè)備壽命，更重要的是會(huì)嚴(yán)重影響換熱器的換熱性能，造成LNG液化工廠運(yùn)行安全問(wèn)題，因此有必要對(duì)繞管換熱器殼側(cè)流體的均配特性進(jìn)行研究。

國(guó)內(nèi)外對(duì)繞管式換熱器流體均配性研究較少，而對(duì)板翅式換熱器的流體均配性進(jìn)行了大量的研究。Lalot[3]進(jìn)行實(shí)驗(yàn)與模擬研究，發(fā)現(xiàn)流體不均勻流動(dòng)造成的換熱效率損失會(huì)超過(guò)25%。張哲[4]通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)兩相流分布不均勻程度比單相流更大，換熱效果更差。入口結(jié)構(gòu)不合理是造成流體分配不均的重要原因，主要包括封頭和導(dǎo)流片兩部分結(jié)構(gòu)，兩者對(duì)流量均配性的影響方式不同。焦安軍[5]發(fā)現(xiàn)導(dǎo)流片對(duì)均配性的影響是在總管流動(dòng)方向上。張哲[6]發(fā)現(xiàn)封頭主要影響出口截面橫向的流體均配性。許箐[7]研究發(fā)現(xiàn)氣體雷諾數(shù)及干度對(duì)均配性具有較大的影響，且液相不均勻度大于氣相，橫向不均勻度大于縱向。焦安軍[8]、張哲[9]、朱建魯[10]、張冰[11]、陳杰[12]、曹學(xué)文[13]等分別研究了封頭結(jié)構(gòu)對(duì)流體分配的影響，各自提出了改進(jìn)的封頭結(jié)構(gòu)。吳裕遠(yuǎn)[14]提出對(duì)兩相流體采取“先分配、后混合”的方法可以達(dá)到流體均配的效果。袁培[15]、李焱[16]分別基于該思想提出了各自設(shè)計(jì)的均流器結(jié)構(gòu)，并證實(shí)了均流器對(duì)提高流體均配效果的作用。

對(duì)于繞管式換熱器，常在殼側(cè)入口設(shè)置均流器，以達(dá)到均配兩相流量的目的。鹿來(lái)運(yùn)、鄭文科分別設(shè)計(jì)了盤(pán)形[17]、環(huán)形[18]及分布管式均流器[19]，并研究了海上晃動(dòng)參數(shù)對(duì)均流器均配性的影響。Noé-Landry-Privace M’Bouana等[20]利用VOF兩相流及Realizablek-ε湍流模型，研究了環(huán)形均布器模型在不同運(yùn)行條件下的均布性能。模擬結(jié)果表明：隨著氣相入口速度的增大，環(huán)形均布器的液相均勻性先變好后變差；隨著液相入口壓力的增大，環(huán)形均布器的液相均勻性得到改善。但是，這些研究針對(duì)的是均流器的部分模型，而且研究的是均流器出口即纏繞管殼程入口的流體分配情況，不能反映殼側(cè)流體流經(jīng)纏繞管處的均配情況。在不同的流量及干度條件下，殼側(cè)流體的均配規(guī)律會(huì)有所不同，因此本研究將對(duì)全尺寸的繞管式換熱器整體模型的殼側(cè)流體均配特性進(jìn)行模擬研究，得出不同流量及干度條件下?lián)Q熱器殼側(cè)流體均配規(guī)律。

1 計(jì)算模型

1.1 幾何模型

使用Solidworks軟件建立換熱器模型如圖1所示，包括環(huán)形均流器，纏繞管及外殼三部分。兩相流體進(jìn)入換熱器，其中液相進(jìn)入均流器中芯筒、經(jīng)由支管、環(huán)管，從環(huán)管上的小孔流出，實(shí)現(xiàn)對(duì)液相的均配作用，氣相冷劑在均流器外側(cè)流動(dòng)，與從小孔流出的液相冷劑重新混合后進(jìn)入纏繞管殼側(cè)空間，從底部出口流出。出口劃分為32個(gè)測(cè)量通道，劃分方式及編號(hào)如圖2所示。

圖1 換熱器幾何模型

圖2 測(cè)量通道劃分及編號(hào)

1.2 網(wǎng)格劃分及無(wú)關(guān)性驗(yàn)證

使用ICEM軟件生成了非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，對(duì)均流器區(qū)域、纏繞管區(qū)域及外殼空間分別創(chuàng)建了BODY，劃分為三個(gè)不同的域，代表了均流器液相區(qū)、纏繞管多孔區(qū)域以及殼側(cè)空間的氣液兩相區(qū)，生成的網(wǎng)格如圖3所示，均流器環(huán)管開(kāi)孔位置與數(shù)量如圖4所示。

圖3 換熱器模型網(wǎng)格劃分

圖4 環(huán)管開(kāi)孔位置

1.3 模型設(shè)置及驗(yàn)證

仿真模型的設(shè)置和邊界條件的選取如表1和表2所示。

表1 模型選取與算法設(shè)置

表2 邊界條件設(shè)置

冷劑模擬工質(zhì)物性參數(shù)如表3所示。

表3 冷劑工質(zhì)粘度及密度表

建立三個(gè)不同網(wǎng)格數(shù)目的繞管式換熱器模型進(jìn)行網(wǎng)格無(wú)關(guān)性驗(yàn)證，網(wǎng)格數(shù)分別為150萬(wàn)、200萬(wàn)和300萬(wàn)，對(duì)氣相入口流量為0.085 kg/s(即250 m3/h)，液相入口流量為0.244 2 kg/s(即0.88 m3/h)的工況進(jìn)行模擬，得到各通道兩相質(zhì)量流量比例系數(shù)如圖5所示，使用200萬(wàn)網(wǎng)格和300萬(wàn)網(wǎng)格計(jì)算的結(jié)果相差不大，考慮到計(jì)算效率等因素，選擇網(wǎng)格數(shù)為200萬(wàn)的模型進(jìn)行后續(xù)的模擬研究，網(wǎng)格采用四面體網(wǎng)格，網(wǎng)格的最大尺寸為20 mm。

圖5 網(wǎng)格無(wú)關(guān)性驗(yàn)證

為了保證模型的可靠性，采用實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證仿真模型。以空氣水為介質(zhì)，測(cè)量12個(gè)通道的質(zhì)量流量，計(jì)算繞管式換熱器殼側(cè)流體分布的比例系數(shù)，如圖6和圖7所示。模擬工況和實(shí)驗(yàn)工況的兩相質(zhì)量流量分布規(guī)律基本一致，可見(jiàn)各測(cè)量通道的質(zhì)量流量的實(shí)驗(yàn)值和模擬值結(jié)果相近，驗(yàn)證了計(jì)算模型的可靠性。

圖6 工況1比例系數(shù)對(duì)比圖

圖7 工況2比例系數(shù)對(duì)比圖

1.4 纏繞管多孔區(qū)域設(shè)置

纏繞管采用多孔區(qū)域模型進(jìn)行模擬計(jì)算，多孔區(qū)域的設(shè)置主要包括孔隙率、粘性阻力以及慣性阻力，孔隙率為孔隙體積與總體積的百分比，實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ椭欣p繞管直徑為12 mm，層間距為14 mm，共13層，則計(jì)算得出孔隙率為0.14。

對(duì)于湍流流動(dòng)，滲透率和慣性阻力系數(shù)可使用式(1)和式(2)計(jì)算

(1)

(2)

式中α——滲透率/m2；

C2——慣性阻力因子/m-1；

Dp——粒子平均直徑/m；

ε——空腔比。

計(jì)算得粘性阻力1/α=2.41×108m-2，慣性阻力C2=9.141 m-1。

2 模擬結(jié)果分析

2.1 流動(dòng)均配性評(píng)價(jià)指標(biāo)

采用比例系數(shù)及離散系數(shù)為評(píng)價(jià)指標(biāo)。

(1)比例系數(shù)：通道流量與平均流量之比

(3)

式中Ki——通道i流量與平均流量的比;

Qi——通道i的流量/m3·h-1;

(2)離散系數(shù)：各通道流量相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)方差

(4)

式中S′——離散系數(shù);

N——通道總數(shù)。

比例系數(shù)可反映各通道流量的相對(duì)大小，離散系數(shù)可反映流量整體均配程度。

2.2 總質(zhì)量流量對(duì)均配性影響結(jié)果分析

分別保持干度為0.3、0.4、0.5、0.6不變，研究殼側(cè)冷劑流體均配性隨兩相質(zhì)量流量的變化規(guī)律，在此工況范圍內(nèi)，殼側(cè)兩相流體流速滿足實(shí)際工程的流速范圍。

(1)干度為0.3的一組模擬工況

圖8為各工況兩相質(zhì)量流量離散系數(shù)對(duì)比圖，可見(jiàn)干度為0.3時(shí)，離散系數(shù)隨流量增加而減小，即分布更加均勻。為了清晰地表示各通道流量分配情況，選取了具有代表性的12個(gè)通道進(jìn)行比較分析，圖9為各工況下選定的12個(gè)測(cè)量通道的質(zhì)量流量比例系數(shù)圖，曲線向中間凹陷，分布規(guī)律為徑向上內(nèi)、外圈兩相質(zhì)量流量分布較中間圈多。

圖8 各工況離散系數(shù)對(duì)比柱狀圖

圖9 各工況通道比例系數(shù)折線圖

(2)干度為0.4的一組模擬工況結(jié)果分析

圖10為兩相質(zhì)量流量離散系數(shù)對(duì)比圖，干度為0.4時(shí)，離散系數(shù)隨流量增加而減小，分布更均勻。圖11為測(cè)量通道質(zhì)量流量比例系數(shù)圖，曲線向中間凹陷，流量分布規(guī)律為徑向上內(nèi)、外圈質(zhì)量流量分布較中間圈多。

圖10 各工況離散系數(shù)對(duì)比柱狀圖

圖11 各工況通道比例系數(shù)折線圖

(3)干度為0.5的一組模擬工況結(jié)果分析

圖12為離散系數(shù)對(duì)比圖，干度為0.5時(shí)，兩相質(zhì)量流量離散系數(shù)有隨流量增加而減小的趨勢(shì)，但基本保持穩(wěn)定。圖13為測(cè)量通道的流量比例系數(shù)圖，流量分布規(guī)律為周向上流量分布均勻一致，徑向上最內(nèi)圈流量最多，外面三圈流量分布大致相同。

圖12 各工況離散系數(shù)對(duì)比柱狀圖

圖13 各工況比例系數(shù)折線圖

(4)干度為0.6的一組模擬工況結(jié)果分析

現(xiàn)階段，云計(jì)算的應(yīng)用主要被分成三類，其分別是私有云、公有云和混合云計(jì)算模式。私有云、公有云和混合云計(jì)算模式適用條件以及適用時(shí)期各不相同，所以私有云、公有云和混合云計(jì)算模式應(yīng)用所產(chǎn)生的效用也存在著很大的差異性。

圖14為離散系數(shù)對(duì)比圖，可看出干度為0.6時(shí)，離散系數(shù)隨流量增加而減小，但變化較為平穩(wěn)，減小趨勢(shì)不明顯。圖15為通道質(zhì)量流量比例系數(shù)圖，可見(jiàn)流量分布規(guī)律為徑向上由內(nèi)至外質(zhì)量流量減少，最內(nèi)圈流量最多，第二圈次之，第三圈和最外圈流量分布較少；周向上流量分布均勻。

圖15 各工況通道比例系數(shù)折線圖

圖16顯示了氣相流量為1.2 kg/s，液相流量為0.8 kg/s，干度0.6的工況1下，殼側(cè)空間及均流器內(nèi)冷劑的流速分布。計(jì)算各工況下通道的質(zhì)量流量平均比例系數(shù)，可以定量比較徑向上的流量分配差別。干度為0.3和0.4時(shí)，中間兩圈平均流量約為內(nèi)外圈平均流量的1.3倍；干度為0.5和0.6時(shí)，兩相質(zhì)量流量分布規(guī)律為徑向上由內(nèi)至外流量減少，最內(nèi)圈流量約為最外圈流量的1.7倍。

圖16 殼側(cè)空間氣相及液相冷劑流速分布

2.3 干度對(duì)均配性影響結(jié)果分析

分別保持兩相質(zhì)量流量為2 kg/s、3 kg/s、4 kg/s、5 kg/s不變，研究殼側(cè)冷劑流體均配性隨干度的變化規(guī)律，表4中列出了干度變化的各組工況的模擬結(jié)果：對(duì)表5所列的4組工況的模擬結(jié)果分析，可見(jiàn)質(zhì)量流量不變時(shí)，兩相質(zhì)量流量離散系數(shù)隨干度增加而增大，均勻性惡化。

表4 質(zhì)量流量不變，干度變化工況的模擬結(jié)果表

3 結(jié)論

本研究建立了繞管式換熱器數(shù)值模擬模型并利用實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了驗(yàn)證，以冷劑為工質(zhì)進(jìn)行兩相流模擬研究，得出如下殼側(cè)冷劑工質(zhì)兩相流動(dòng)均配規(guī)律：

(1)干度不變時(shí)，繞管式換熱器殼側(cè)兩相冷劑流體質(zhì)量流量分布隨流量增大而更均勻，干度小于0.5時(shí)均配性變化趨勢(shì)明顯，干度大于等于0.5時(shí)變化幅度較?。?/p>

(2)質(zhì)量流量不變時(shí)，流體分布隨干度減少而更均勻；

(3)干度大于等于0.5時(shí)，流體分布在徑向上由內(nèi)至外質(zhì)量流量減少，最內(nèi)圈流量約為最外圈流量的1.7倍；

(4)干度小于0.5時(shí)，徑向方向上內(nèi)圈與外圈質(zhì)量流量分布較中間圈多，中間兩圈平均流量約為內(nèi)外圈平均流量的1.3倍。