橫盪工況下板翅式換熱器內天然氣冷凝特性的模擬研究

導讀

為了定量描述海上橫盪工況對板翅式換熱器內天然氣冷凝過程熱質傳遞的影響規律，建立了板翅式換熱器波紋翅片通道內冷凝流動與傳熱的數值模型。首先針對天然氣冷凝過程的傳熱傳質機理進行分析；通過翅片壁面的組分守恆建立了天然氣冷凝過程的傳質子模型，並基於傳質速率計算得出潛熱傳熱速率。基於提出的模型，對於不同干度下的板翅式換熱器內天然氣傳熱傳質進行分析，發現當干度為0.05時，傳熱係數平均惡化32.9%，當干度上升至0.2時，惡化得到改善，傳熱係數平均降低28.7%。

引言

我國主要依賴煤炭、石油的能源結構已經造成越來越大的環境污染壓力。逐步提升天然氣這一清潔能源在我國能源供應結構中的比重是解決上述問題的重要措施[1]。浮式液化天然氣生產儲卸裝置（LNG-FPSO）是一種浮式液化天然氣處理平台，通常設計為船型結構，集天然氣凈化、液化、儲存、裝卸和外運功能為一體[2]。相對於岸上天然氣液化工廠，LNG-FPSO在海洋領域的應用將有效地避免海底輸送管道鋪設所面臨的技術難題，且其投資成本低、建造周期短，同時具有可移動性，便於在氣田開採枯竭後迅速轉移到下一個氣田，為海上油氣田的開發提供了經濟有效的方案[3]。在全球能源短缺的背景下，通過LNG-FPSO實現海上天然氣生產的技術開始獲得國際範圍內的廣泛關注。天然氣液化裝置是LNG-FPSO的核心裝置，直接決定FPSO的液化能力。板翅式換熱器是天然氣液化裝置中的主低溫換熱器，具有結構緊湊、換熱效率高、易實現多股流布置等特點，已被廣泛應用於大型陸上液化天然氣工廠，也將成為海上平台LNG-FPSO的首選主低溫換熱器。海上FPSO 平台和LNG 船受到海洋波浪、風速等因素影響，在海洋中處於不穩定的橫盪運動狀態。

海上橫盪工況對於板翅式換熱器內部工質相變的熱質傳遞特性影響很大。目前針對板翅式換熱器的研究主要集中於陸基非晃蕩下工質的熱質傳遞的數值模擬研究和實驗研究。

在數值研究方面，王武林等[4]將板翅式換熱器簡化為二維結構，並採用simple演算法進行求解，最終得出了板翅式換熱器的翅片尺寸和翅片數目對換熱的影響；宿國光等[5]採用三維結構模型對板翅式換熱器進行了數值模擬，計算了翅片幾何結構和流量分配不均勻對換熱器性能的整體影響。張戰[6]研究了穩定層流和非穩定層流兩種情況下翅片對換熱和壓降的影響，並將模擬結果與文獻中的實驗數據進行對比。李媛等[7]採用CFD軟體對不同翅片形式的板翅式換熱器進行了三維模擬研究，並分析了不同翅片幾何尺寸對換熱和壓降的影響，最後採用文獻已有的實驗數據進行了驗證。

在實驗研究方面，主要研究內容集中在針對板翅式換熱器的換熱係數和傳熱關聯式的測量上。張後雷等[8]通過實驗對穩態下的波紋和波紋打孔板翅式換熱器的表面進行了測量，得到了對流換熱係數的實驗關聯式；李嫵等[9]對正弦波紋和開縫兩種形式的板翅式換熱器進行了實驗測量，測量了在濕工況下，不同的衝擊角對於翅片表面性能的影響；孫志江[10]通過實驗研究了低雷諾數下不同翅片形式的翅片表面性能，並採用CFD對溫度場和速度場進行了模擬計算，結果表示實驗和模擬結果吻合較好。

本文的研究內容是採用CFD方法針對橫盪工況對LNG板翅式換熱器內流體熱質傳遞特性的影響規律進行研究。

1、模擬對象和數學模型

1.1模擬對象

本文的模擬對象是板翅式換熱器波紋通道中天然氣冷凝相變的流動過程。板翅式換熱器中通道有平直形、鋸齒形、波紋形、多孔形和百葉窗形等多種形式，本文選取常見的波紋形通道。波紋形通道的幾何形狀如圖1所示。

圖1所示的波紋形通道橫截面為矩形，具體幾何參數見表1。

表1 波紋型通道的幾何參數

本文模擬的物理過程是單個板翅式換熱器波紋形通道內的冷凝過程。氣態甲烷從通道的入口流入，其干度為1。在板翅式換熱器的波紋形通道中，壁面不斷將熱量傳遞給甲烷，當甲烷的溫度低於冷凝溫度時，氣態甲烷開始冷凝。該過程伴隨著傳熱和傳質兩個行為。當流動距離足夠長，甲烷和通道壁面的換熱持續一定時間後，液態甲烷將全部汽化為氣體。

在該冷凝過程中，兩相甲烷受到重力、氣液表面張力、慣性力和曳力的綜合影響。為了描述板翅式換熱器流道內甲烷的冷凝過程，需要通過CFD方法對甲烷在通道內傳熱和傳質作用進行模擬分析。

1.2數學模型

（1）基本控制方程

本文採用不可壓縮流體模型，其控制方程如下：

基於VOF模型下的氣相和液相體積分數的連續性方程可以表示為：

（1）

（2）

（3）

其中av和a1分別表示氣相和液相的體積分數，Sm是質量源項，表示流動過程中氣相和液相的質量變化。

對於控制方程中所涉及到的質量源項，通過添加不同的計運算元模型，可以模擬通道內的冷凝流動。

質量源項Sm可以採用傳質子模型進行計算。質量源項的計算採用W. H. Lee提出的傳質模型[11]，通過蒸發冷凝速率的定義來計算冷凝過程的傳質量，其計算公式為：

（4）

其中，m1v為液相到氣相的蒸發傳質速率，mv1為氣相到液相的冷凝傳質速率，當液相溫度大於或小於飽和溫度時，傳質速率計算公式分別為：

（5）

（6）

其中coeff是一個可調的參數。潛熱源項Q可以根據質量源項求得，其計算公式為：

（7）

其中y 為製冷劑氣化潛熱，Sm 為質量源項。

（2）基本控制方程

晃蕩對板翅式換熱器流道內熱質傳遞的主要影響在於，動量方程存在一個不與當地流場有關的加速度項，這個附加加速度由實際晃蕩工況決定。由於船體晃蕩運動分為旋轉和平移兩種類型，因此將加速度項分成了旋轉加速度和平移加速度，計算方法如下：

（8）

（9）

其中T為單一晃蕩運動周期， 為旋轉最大角度，R為轉動半徑，A為平移最大幅度。

由於該項不受當地的流型、溫度、相態影響，是作用於流場全局的孤立因素，因此加入該加速度項僅需要考慮實際晃蕩工況。但由於該項在特定工況下會與重力達到相同量級，因此對實際流動流型、換熱、傳質的影響十分明顯。

2、計算區域與邊界條件

本文針對模擬對象建立模型，基於商用軟體ANSYS中的FLUENT進行流動模擬。模擬區域橫截面尺寸為6×1mm，長度取為200mm，以滿足流型轉化需要的長度。流動通道被劃分為六面體結構化網格，網格總數為180729。計算網格如圖2所示

圖2 波紋型通道計算網格

採用VOF模型作為兩相流模擬模型，連續表面張力模型（CSF）作為表面張力模型。由於製冷劑的流速較高，通道的水力直徑小，流處在湍流區，採用realizableK- 作為湍流模型。速度和壓力耦合採用PISO演算法，壓力項採用PRESTO！格式離散，動量項用冪率格式離散，體積分數用Geo-Reconstrust格式離散，其餘項用二階迎風格式離散。

將入口條件設定為速度邊界條件，出口條件為outflow。壁面邊界條件為定熱流密度，並定義了壁面上的接觸角。

計算使用的工質甲烷的物性參數如下表所示2，冷凝溫度190K，壓力4MPa。

表2 甲烷物性參數

模型使用的計算網格為結構化六面體網格。針對網格獨立性進行驗證，在基準網格尺寸不超過0.2mm，邊界層最小網格大於0.01mm的情況下，換熱係數和傳質量的偏差小於2%。綜合考慮模擬精度和計算資源，採用0.2mm作為網格基準尺寸，0.01mm作為邊界層最小網格尺寸，以獲得較高精度的模擬結果。

3、模擬結果及分析

3.1流型模擬結果

用前述模型進行計算，從而分析板翅式換熱器通道中甲烷的冷凝流型。設定壁面的溫度為-180℃，壁面上液相製冷劑的接觸角為30°。流動過程的蒸發冷凝過程的參數coeff為500。對質流密度分別為40kg/m2，80kg/m2，120kg/m2，160kg/m2時進行模擬，得到的波紋型通道冷凝流動情況如圖3所示。

圖3 波紋型通道冷凝流動的模擬結果

由圖3可以看到甲烷在通道中由氣相變為液相的冷凝流動過程。由於質量流量不同，氣相製冷劑完全冷凝下來的位置也不同，質量流量較高時冷凝流動向下游發展，完全冷凝需要的流動距離更長。同時，隨著質量流量的增大，彈狀流佔據的通道區域變大，氣彈也更加分散。

3.2橫盪對天然氣冷凝傳熱係數的影響

橫盪指以水平軸為方向的周期性往複平移運動，會對換熱器性能產生影響。

圖4是橫盪與非橫盪工況下的換熱係數對比圖。由圖4(a)可知，在干度為0.05，橫盪幅度為2m，橫盪頻率0.1667的工況下，橫盪會使通道內的甲烷分布不均勻，從而惡化換熱。在半周期內的加速階段，橫盪的速度造成甲烷液體偏離管壁，使得其厚度變薄，此時傳質產生氣泡造成局部破裂傳熱下降；橫盪速度達到一定值後覆蓋在管壁上的液態甲烷會在管壁一側完全斷裂，覆蓋面積減少，氣相直接傳熱使的溫度快速升高，溫差減小，傳熱能力下降。在1/2周期時，橫盪的速度減小，液態甲烷再次覆蓋管壁，因此傳熱係數又再次上升。通過對比計算，在干度為0.05的橫盪情況下，傳熱係數惡化最大值為56.2%，平均惡化32.9%。

由圖4(b)可知，在相同的橫盪幅度和橫盪頻率下，當干度變大為0.2時，換熱的惡化情況會有所改善。這是因為干度增大會導致流速上升，此時液體中產生氣泡後更容易被帶走，傳熱溫差也相對減小，進而傳熱係數增大。在干度為0.2橫盪情況下，傳熱係數惡化最大值為40.2%，平均惡化28.7%。

(a) 干度=0.05

(b) 干度=0.2

圖4 橫盪與非橫盪工況下的換熱係數對比

4、結論

（1） 在VOF模型的基礎上，考慮重力和表面張力的綜合作用，建立了板翅式換熱器正弦通道的冷凝過程的數值模擬模型；

（2） 針對甲烷氣液兩相間的傳質過程，在相間質量傳遞方程中加入傳質的質量源項，從而達到預測板翅式換熱器正弦通道的甲烷冷凝過程；在能量方程中加入潛熱傳熱源項，從而計算出通道內相變過程的傳熱係數；

（3） 得到了板翅式換熱器正弦通道內冷凝過程的流型圖，並對比了不同質流密度下通道內的流型圖；

（4） 計算了不同干度下正弦通道的傳熱係數，橫盪會導致傳熱係數下降。當干度為0.05時，傳熱係數平均惡化32.9%，當干度上升至0.2時，惡化得到改善，傳熱係數平均降低28.7%。

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