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(1.中海石油氣電集團有限責(zé)任公司技術(shù)研發(fā)中心，北京　100027； 2.哈爾濱工業(yè)大學(xué) 建筑學(xué)院，黑龍江　哈爾濱　150001； 3.哈爾濱工業(yè)大學(xué) 能源科學(xué)與工程學(xué)院，黑龍江　哈爾濱　150001)

近年來煤炭資源的不斷消耗使人類對油氣資源的需求與日俱增，天然氣作為清潔能源正受到越來越多的關(guān)注。換熱器作為天然氣開發(fā)的關(guān)鍵設(shè)備，其性能決定了天然氣開采的效率。板翅式換熱器作為LNG主低溫換熱器將氣態(tài)天然氣液化，但在設(shè)計、制造、安裝、運行中的種種問題會引起換熱器內(nèi)部兩相流體流動的不均勻分配，導(dǎo)致?lián)Q熱器換熱效能的下降及天然氣液化效率的降低[1-3]。

國內(nèi)外學(xué)者針對板翅式換熱器兩相流動不均勻開展了大量的研究并提出多種改進分配效果的結(jié)構(gòu)，如導(dǎo)流片分配，噴射管分配，多孔板分配等[4]。厲彥忠等[5-6]對板翅式換熱器中入口封頭的結(jié)構(gòu)提出了改進的二次封頭模型，有效地降低了換熱器入口氣液兩相流分配不均勻程度；Wang Chichuan等[7-9]從管徑、管長以及孔徑等參數(shù)對笛形管入口結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化，改進后的笛形管具有良好的氣液分配效果；章曉龍[10]對板翅式換熱器中影響流體分配不均的結(jié)構(gòu)因素和流體因素進行了分析，介紹了多種改善板翅式換熱器換熱性能的改進措施；Robertosn等[11]在研究中提出先分離再單獨進入板翅式換熱器進行混合的方法的均勻性要優(yōu)于兩相流直接進入板翅式換熱器內(nèi)部；吳裕遠等[12]也通過實際工程提出了“先分配，后混合”的新結(jié)構(gòu)要比傳統(tǒng)的“先混合，后分配”結(jié)構(gòu)更容易達到氣液分配均勻；袁培等[13]利用水-空氣對一種氣液分離入口的注液封條結(jié)構(gòu)的分配性能進行了實驗研究，發(fā)現(xiàn)可以有效地改善板翅式換熱器的物流分配特性。李焱等[14]采用數(shù)值模擬的方法研究板翅式換熱器的入口分配形式，同樣發(fā)現(xiàn)“先分配，后混合”入口方式的氣液兩相均勻性更好。

注液封條常應(yīng)用于板翅式換熱器中進行氣液分配，取得了良好的均配效果。但在實際使用過程中，由于加工安裝精度以及長時間運行疲勞的影響，注液封條的安裝位置會發(fā)生傾斜從而對氣液兩相冷劑的均配效果產(chǎn)生影響，分配影響規(guī)律也不明確。本文對LNG板翅式換熱器注液封條結(jié)構(gòu)不同安裝位置的氣液兩相流體分配特性進行數(shù)值模擬研究，得到不同安裝位置的注液封條內(nèi)部氣液兩相流分配特性的影響規(guī)律，為板翅式換熱器在液化天然氣領(lǐng)域的應(yīng)用提供參考。

1　數(shù)值模型分析

1.1　幾何模型簡化

本文采用了SolidWorks三維建模軟件對板翅式換熱器注液封條進行了模型簡化建模，具體結(jié)構(gòu)參數(shù)見表1。在注液封條內(nèi)，選取了40個氣相通道和兩個液相通道進行流體均布性能分析，如圖1所示。液相工質(zhì)從兩個液體通道兩端分四路進入注液混合結(jié)構(gòu)，通過液體小孔流向氣相通道。在長方形的氣相通道中，氣相與液相流體混合并夾帶液相流入相連的換熱流道參與后續(xù)換熱。本次模擬計算采用六面體結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格對注液封條結(jié)構(gòu)建立網(wǎng)格模型，并在連通孔處做加密處理，并進行了網(wǎng)格無關(guān)性驗證，最終的網(wǎng)格數(shù)為632 579個，如圖2所示。為了保證模擬數(shù)據(jù)的準確性，在網(wǎng)格模型中，將每4個氣體通道設(shè)為一個監(jiān)測面，分別命名為第1至第10個通道(out1-out10)，監(jiān)測并獲取其質(zhì)量流量。

表1幾何結(jié)構(gòu)參數(shù)

結(jié)構(gòu)參數(shù)尺寸數(shù)據(jù)封條外形 1 420 mm×50 mm×6.5 mm氣體通道 50 mm×8 mm×2 mm×40個,間距20 mm液體通道 1 225 mm×10 mm×3.2 mm×2個,間距10 mm連通小孔 φ1.8 mm

圖1　注液封條結(jié)構(gòu)示意圖

圖2　注液封條結(jié)構(gòu)網(wǎng)格

1.2　控制方程

1.2.1多相流模型

板翅式換熱器注液封條內(nèi)部流動是一種典型三維復(fù)雜的氣液兩相流模型。FLUENT中常用的兩相流模型有三種：VOF模型、Mixture模型和Eulerian模型。VOF模型通過求解單獨的動量方程和處理穿過區(qū)域的每一流體的體積分數(shù)來模擬兩種或多種流體的流動情況。由于我們研究的是整個流場中的瞬態(tài)發(fā)展過程以及氣液兩相的均布情況，故我們采用VOF模型，其控制方程如下

容積比率方程

(1)

式中αq—q相的容積比率。

容積比率方程不是為主相求解的，主相容積比率的計算基于如下的約束

(2)

物性方程

(3)

(4)

動量方程

(5)

由于不考慮換熱情況，故不再闡述能量方程。

1.2.2湍流模型

本文模擬的是氣液混合的高旋流動，故湍流模型選擇的是RNGk-ε模型，其控制方程如下

(6)

(7)

式中μeff=μ+μt,Gk、Gb、YM、C1ε、C2ε、C3ε、Cμ等參數(shù)的含義與標準k-ε模型中相同，Cμ=0.084 5，C1ε=1.42，C2ε=1.68；

αk、αg——湍流動能和耗散率的有效普朗特數(shù)的倒數(shù)，數(shù)值為1.39。

1.3　模擬參數(shù)的設(shè)置及求解

采用非穩(wěn)態(tài)隱式VOF模型進行靜止條件下的板翅換熱器注液封條均布流動特性的研究。在模擬過程中，氣液兩相流體的物性參數(shù)采用真實工質(zhì)的物性參數(shù)數(shù)據(jù)，具體數(shù)據(jù)見表2。對于邊界條件的設(shè)置，入口采用速度入口邊界條件，出口采用壓力出口邊界條件。模擬過程中壓力參考點設(shè)置在液體進口中心點，壁面設(shè)置為無滑移壁面。其他數(shù)值模擬參數(shù)根據(jù)文獻調(diào)研及實際情況進行設(shè)置，如表3所示。將劃分好的網(wǎng)格模型(如圖1)導(dǎo)入到FLUENT軟件中，按照表3設(shè)置好相關(guān)參數(shù)。采用24核工作站進行并行計算，計算結(jié)果中速度殘差值、連續(xù)性殘差值、能量殘差值和k，ε殘差值均小于0.001，同時對于監(jiān)測的各氣相通道出口質(zhì)量進行數(shù)值對比，不再發(fā)生數(shù)據(jù)波動，計算結(jié)果滿足收斂性要求。

表2流體物性參數(shù)

工質(zhì)密度/kg·m-3動力粘度/Pa·s水力直徑/m液相597.52.72E-040.004 8氣相5.7676.78E-060.003 2

表3數(shù)值模擬參數(shù)設(shè)置

名稱參數(shù)設(shè)置名稱參數(shù)設(shè)置求解模型非穩(wěn)態(tài)湍流強度/[%]5能量模型關(guān)閉出口邊界類型壓力出口湍流模型RNGk-ε壁面溫度/K298流體溫度/K298收斂精度0.001操作壓強/Pa101 325時間步長/s0.01入口速度/m·s-11.389/8.559(液/氣)壓力-速度耦合方式PISO重力加速度/m·s-2-9.81體積分數(shù)方程Modified-HRIC

2　數(shù)據(jù)處理

本文采用流量不均勻度反映不同通道的流量不均勻情況，通過對10個氣液兩相通道出口的質(zhì)量流量的流量不均勻度來分析注液封條不同通道的流量不均勻情況。流量不均勻度用Dj表示[15]，如下式所示

(8)

式中i——通道編號。

在分析過程中，為了便于對比不同工況下的流體分配不均勻性，氣液兩相出口質(zhì)量流量不均勻性用離散系數(shù)y表示，其定義式如下

(9)

(10)

(11)

式中mi——出口截面不同通道質(zhì)量流量。

離散系數(shù)表示了不同工況下的流體均布性能。離散系數(shù)越小，說明該工況流體分配越均勻；反之，說明流體分配不均勻。

3　模擬結(jié)果及其分析

注液封條結(jié)構(gòu)作為兩相工質(zhì)分配的入口裝置在板翅式換熱器中有多種安放位置。本文對四種不同安裝位置及其傾斜形式對于注液封條流量分配不均勻性的影響開展數(shù)值模擬研究，安裝位置示意見圖3，安裝位置發(fā)生變化時入口條件保持不變。對于每種注液封條的安裝位置，都進行偏移(-6°，-8°，-10°，0°，6°，8°，10°)，側(cè)傾(1°，3°，5°)共10組工況的模擬計算，共40組工況。

3.1　氣相通道豎直向上放置

圖4給出了在氣相通道豎直向上時不同傾斜角度下10個通道流量分配的不均勻度?？梢钥闯?，各通道的氣液總流量分布情況呈兩側(cè)通道小，中間通道大的趨勢。在不同偏移角度下，流量不均勻度在0.90～1.10的范圍內(nèi)，且不同偏移角度工況下的流量分配情況略有差異，但不明顯；在不同側(cè)傾角度下，流量不均勻度在0.85～1.10的范圍內(nèi)變化，但各通道的流量分配情況有明顯差異。

圖3　不同位置安裝示意圖

圖4　氣相通道豎直向上不同安裝位置的流量不均勻度

圖5給出了不同傾斜角度下10個通道的質(zhì)量流量離散系數(shù)。從圖5(a)中可以看出，不同偏移角度情況下的離散系數(shù)呈先增大后減小的趨勢，說明注液封條氣相通道豎直向上放置安裝時不同角度的偏移對其流量分配的均勻性有一定的促進作用。從圖5(b)可以看出，不同側(cè)傾角度情況下的離散系數(shù)差異性較大，并且其總體趨勢為側(cè)傾角度越大，離散系數(shù)越大，說明注液封條氣相通道豎直向上安裝時不同側(cè)傾角度對于其流量分配特性有很明顯的影響，并且側(cè)傾角度越大，流量分配越不均勻。

圖5　氣相通道豎直向上不同安裝位置離散系數(shù)

3.2　氣相通道豎直向下放置

圖6給出了在氣相通道豎直向下時不同偏移角度下10個通道流量分配的流量不均勻度。從圖6中可以看出，各通道的氣液總流量分布情況呈兩側(cè)通道小，中間通道大的趨勢，與注液封條豎直向上時基本一致。在不同偏移角度下，流量不均勻度在0.90～1.10的范圍內(nèi)，且不同偏移角度工況下的流量分配情況略有差異，但不明顯；在不同側(cè)傾角度下，流量不均勻度在0.85～1.10的范圍內(nèi)變化，但各通道的流量分配情況有明顯差異。

圖6　氣相通道豎直向下不同安裝位置的流量不均勻度

圖7給出了豎直向下流動時各通道的質(zhì)量流量離散系數(shù)。由圖7(a)可知，當(dāng)注液封條的偏移角度增大時，安裝位置左偏時離散系數(shù)總體呈小幅度減小，右偏時總體呈小幅度增大，即注液封條的均勻性在安裝位置左偏時略有優(yōu)化，右偏時略有惡化，但總體上來看，安裝位置偏移會導(dǎo)致注液封條均勻性變差。由圖7(b)可知，隨著側(cè)傾角度的增加，離散系數(shù)增大，說明側(cè)傾會嚴重影響注液封條的均勻性，惡化，且側(cè)傾角度越大，流量分配越不均勻。

圖7　氣相通道豎直向下不同安裝位置離散系數(shù)

圖8　液相通道水平向上不同安裝位置的流量不均勻度

圖9　液相通道水平向上不同安裝位置離散系數(shù)

圖11　液相通道水平向下不同安裝位置離散系數(shù)

3.3　液相通道水平向上放置

圖8給出了在液相通道水平向上放置，不同安裝位置時10個通道流量分配的流量不均勻度。由圖8(a)(b)可知，在注液封條水平放置的情況下，各通道的氣液流量分配情況與豎直放置時基本一致，中間通道流量大于兩側(cè)通道的流量，且不同側(cè)傾條件下的各通道的分配差異性較偏移條件下明顯。

圖9給出了在液相通道水平向上放置，不同安裝位置時10個通道的質(zhì)量流量離散系數(shù)情況。從圖9(a)中可以看出，不同偏移角度情況下的離散系數(shù)基本上是一致的，說明注液封條液相通道水平向上放置安裝時不同偏移角度對于其流量分配特性影響不大。圖9(b)表明，不同側(cè)傾角度情況下的離散系數(shù)差異性較大，并且側(cè)傾角度越大，離散系數(shù)越大，說明注液封條液相通道水平向上放置安裝時側(cè)傾對于其流量分配均勻性有明顯影響，側(cè)傾角度越大，流量分配越不均勻。

3.4　水平液相通道向下放置

圖10給出了在液相通道水平向下放置時10個通道流量分配的流量不均勻度。由圖10可知，液相通道水平向下放置的各通道流量分配情況與水平向上時放置趨勢相近，側(cè)傾較偏移對流量均勻性有更明顯影響。

圖11給出了在液相通道水平向下放置不同安裝位置的離散系數(shù)變化情況。從圖11(a)(b)可以得到，注液封條液相通道向下放置時，不同偏移角度對于其流量分配特性影響較小，而不同側(cè)傾角度對于其流量分配特性有很明顯的影響，并且，側(cè)傾角度越大，流量分配越不均勻。

當(dāng)注液封條安裝方向不同時，對比的氣液兩相在各個通道內(nèi)的分配情況，由圖4～圖11可知，在氣相通道豎直向上或豎直向下，液相通道水平向上或水平向下放置時，各通道的兩相流體分配趨勢相同，這表明安裝方向?qū)τ跉庖簝上嘣谧⒁悍鈼l內(nèi)的分配趨勢影響較小。同時對比幾種安裝方式，側(cè)傾安裝會導(dǎo)致流體均勻性惡化，而偏移安裝則影響較小，這是因為側(cè)傾安裝會導(dǎo)致兩端液相流體受重力的影響最大，使得流體均布不均勻。同時受到重力的影響，不同連通小孔處的氣液夾帶效率也會有明顯的降低，導(dǎo)致每處的氣液相容積率差異較大，質(zhì)量分布不均勻。

4　結(jié)論

(1)當(dāng)安裝位置不同時，板翅式換熱器注液封條內(nèi)的氣液兩相流體分配的總趨勢相同，即中間通道的氣液兩相流量大于兩端通道的流量，這是由于兩端液相流體在中間匯合導(dǎo)致流量增大。而安裝位置對于氣液分配的總趨勢影響較小。且安裝不發(fā)生傾斜時，四種安裝形式對注液封條內(nèi)氣液兩相冷劑分配的均勻性影響較小，離散系數(shù)位0.067～0.07之間。

(2)對于同一種安裝位置，當(dāng)注液封條處于不同偏移角度時，板翅式換熱器各通道的氣液流量分配的總趨勢與不偏移時一致，即偏移角度不會改變氣液兩相在各個通道的分配趨勢；當(dāng)封條豎直向上安裝時，兩相均勻性隨偏移角度的增加優(yōu)化；當(dāng)豎直向下安裝時，左偏移的均勻性要好于右偏移；水平向上與水平向下安裝時，兩相均勻性變化較小，幾乎不會影響流體均布特性。

(3)當(dāng)注液封條處于不同側(cè)傾角度時，板翅式換熱器各通道流量發(fā)生明顯變化，且不同安裝形式的板翅式換熱器兩相均布性能變化規(guī)律基本一致，即隨著側(cè)傾角度的增加，離散系數(shù)由0.067增大到0.077，兩相均勻性變差，因為側(cè)傾安裝會導(dǎo)致兩端液相流體受重力的影響最大，使得流體均布不均勻。同時受到重力的影響，不同連通小孔處的氣液夾帶效率也會有明顯的降低，導(dǎo)致每處的氣液相容積率差異較大，質(zhì)量分布不均勻。因此在實際工程中應(yīng)盡量避免側(cè)傾安裝。