運(yùn)行參數(shù)對繞管式換熱器環(huán)形均布器均布性能影響模擬研究

Noé-Landry-Privace M’Bouana，，， ，，

(1.哈爾濱工業(yè)大學(xué)，黑龍江 哈爾濱 150090；2.中海石油氣電集團(tuán)有限責(zé)任公司，北京 100027)

0 引言

繞管式換熱器具有承壓性好、溫降大、傳熱溫差小、傳熱面積大、回流速度快、氣液分配均勻與效率較高、維修方便等特點(diǎn)，因此被廣泛應(yīng)用于海上天然氣的液化工藝流程中。繞管式換熱器的入口處常設(shè)有均布器以將氣液兩相制冷劑均勻分配到纏繞管上，所以均布器的性能會影響殼側(cè)氣液兩相制冷劑與纏繞管接觸的均勻性，從而直接影響繞管式換熱器的換熱效率與天然氣的液化效果[1-2]。

目前，國內(nèi)外研究人員利用實(shí)驗(yàn)及模擬方法對換熱器物流分配進(jìn)行了大量的研究。劉家瑞等[3]對板殼式換熱器進(jìn)行數(shù)值模擬研究了其物流分配的特性，結(jié)果表明換熱器存在嚴(yán)重的物流分配不均勻現(xiàn)象，降低了整體效能，而通過在入口設(shè)置封頭及條紋板可以改善物流分配不均勻性。Lalot等[4]研究發(fā)現(xiàn)換熱器內(nèi)流體分配的不均勻度對換熱器性能影響十分顯著，而利用分配器可以有效改善換熱器內(nèi)流體分配的不均勻性，提高換熱器效率。黃超進(jìn)[5]通過實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，對于板翅式換熱器的物流分配，在相同質(zhì)量流率下單相氣體均勻性最好，單相液體次之，兩相氣液流體不均勻性最嚴(yán)重。巫江虹等[6-7]通過研究指出即使入口處各相流體分布是均勻的，在換熱器內(nèi)部通道中，兩相流流體分配也可能不均。Robertosn J.M等[8-9]研究發(fā)現(xiàn)，采用先將兩相流體分離成氣相與液相再重新混合后送入各通道時均勻性要好于傳統(tǒng)兩相流直接進(jìn)入換熱器各通道的均勻性。黃善仿等[10]通過理論分析發(fā)現(xiàn)在多通道中等干度分配過程的均勻性決定因素是流動的壓降特性。魯紅亮等[11]回顧了近年來國內(nèi)外對于平行流換熱器中熱流體分布均勻性的相關(guān)理論和實(shí)驗(yàn)研究，提出結(jié)構(gòu)和運(yùn)行工況是影響兩相制冷劑在扁管中流量分配的重要因素。Junye Wang[12]在對近50年內(nèi)的分支管流動分配的研究進(jìn)行總結(jié)后發(fā)現(xiàn)已有理論大多從結(jié)構(gòu)與運(yùn)行工況方面對多分支管系統(tǒng)的流動分配進(jìn)行優(yōu)化。

Yan Li與Yuxing Li等[13]利用Fluent對板翅式換熱器先均配再混合的兩相流入口形式，進(jìn)行了靜止條件與晃動條件下的模擬證明了先均配再混合的入口形式均勻性更好，較原有結(jié)構(gòu)有更好的晃動抗性。Schepper等[14]利用CFD軟件FLUENT中的VOF模型對水平管內(nèi)不同流型的兩相流動進(jìn)行模擬，證明利用Fluent的VOF模型可以對水平管內(nèi)的兩相流進(jìn)行模擬。曾祥根等[15]對加氫反應(yīng)器分配器的流場用Fluent中的標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型進(jìn)行了數(shù)值模擬，結(jié)果表明數(shù)值模擬可以較準(zhǔn)確地模擬分配器的流場。

綜合現(xiàn)有研究內(nèi)容可知，國內(nèi)外學(xué)者對流體的均勻分配進(jìn)行了較多研究，提出對兩相流先均配再混合的入口形式具有較好的均勻性。此外，結(jié)構(gòu)與運(yùn)行參數(shù)是影響均布器中冷劑流動均勻性的主要因素，而VOF模型可以較好地模擬兩相流的分布情況。實(shí)際上，目前對繞管式換熱器的流體分配均勻性研究不多，因此對繞管式換熱器均布器均配特性進(jìn)行進(jìn)一步研究是十分有必要的。

本文選取了一種新型繞管式換熱器均布結(jié)構(gòu)——環(huán)形均布器結(jié)構(gòu)，并采用數(shù)值模擬的方法分析運(yùn)行參數(shù)對其均布特性的影響，為繞管式換熱器設(shè)計(jì)提供參考。

1 計(jì)算模型

1.1 幾何模型

經(jīng)過文獻(xiàn)調(diào)研，采用對兩相流先均配再混合的設(shè)計(jì)思路設(shè)計(jì)了一種新型均布器結(jié)構(gòu)：環(huán)形均布器。其整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。環(huán)形均布器處在繞管式換熱器的中間位置，氣液兩相制冷劑從上向下流過繞管式換熱器，氣液兩相流在環(huán)形均布器中心桶上方重力分離，液相制冷劑經(jīng)中心桶沿支管到環(huán)管并從環(huán)管上的小孔流出進(jìn)入殼側(cè)空間，氣相從中心桶上方分離后，由中心桶外側(cè)向下流動，從環(huán)管中間的流道流過，夾帶從小孔中流出的液相一起到殼側(cè)空間，與繞管芯體進(jìn)行換熱。環(huán)形均布器主要對液相進(jìn)行均布，而氣相在殼側(cè)空間自由流動，可認(rèn)為氣相在殼側(cè)空間為均勻狀態(tài)，所以采用液相流體的分配均勻性表征環(huán)形均布器的均勻性。

圖1 環(huán)形均布器整體結(jié)構(gòu)示意圖

如果對整個均布器進(jìn)行數(shù)值模擬，模型結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，網(wǎng)格數(shù)目多，計(jì)算難度大，因此考慮對數(shù)值模擬模型進(jìn)行簡化。由均布器的整體結(jié)構(gòu)可以看出，支管將環(huán)形均布器均分為一個沿圓周周向?qū)ΨQ的結(jié)構(gòu)，相鄰兩個支管之間結(jié)構(gòu)相同，流場流動相同，因此取兩個支管之間部分進(jìn)行模擬，代替整個模型，也可以得到與均布器內(nèi)流場流動相似的效果，同時使建模工作簡單化，網(wǎng)格數(shù)目大大減少，計(jì)算更加容易，實(shí)際操作中選取1/4模型結(jié)構(gòu)進(jìn)行模擬。

1.2 物理模型與網(wǎng)格

選取環(huán)形均布器的1/4模型建立幾何模型，如圖2所示，模型含有兩個環(huán)管，環(huán)管上開有小孔為液相出流流道。中心桶內(nèi)部為液相入口，外部為氣相入口，模型下方為總出口。其氣液兩相流流動效果與實(shí)際相同。

圖2 環(huán)形均布器模型示意圖

數(shù)值模型含有66個液相通道，選取環(huán)管上11個通道作為監(jiān)測面，得到的流量數(shù)據(jù)作為環(huán)形均布器均勻性評價的基本數(shù)據(jù)。選取的通道位置如圖3所示。

圖3 環(huán)形均布器通道編號示意圖

1.3 模型設(shè)置

環(huán)形均布器內(nèi)的工質(zhì)流動是一種典型的氣液兩相流，選用VOF模型對其進(jìn)行模擬計(jì)算，數(shù)值計(jì)算中采用的制冷劑工質(zhì)參數(shù)如下表1所示。

表1 環(huán)形均布器均布特性模擬制冷劑工質(zhì)參數(shù)

本文模擬的是氣液混合的高旋流動，考慮到Realizablek-ε模型可以精確地預(yù)測平面和圓形射流擴(kuò)散作用，而且它對于旋轉(zhuǎn)流動、強(qiáng)逆壓梯度的邊界層流動、流動分離和二次流有很好的表現(xiàn)。本次模擬研究采用Realizablek-ε模型。

采用默認(rèn)壁面函數(shù)處理近壁區(qū)域流動。數(shù)值離散格式及計(jì)算方法簡述如下：壓力采用PRESTO!格式；動量方程、k方程、ε方程均采用二階迎風(fēng)離散格式，體積分?jǐn)?shù)方程采用Modified-HRIC格式；采用PISO算法對代數(shù)方程進(jìn)行離散求解。

對于邊界條件的選取，氣相入口采用速度入口，液相入口采用壓力入口，總出口采用壓力出口，壁面條件選用無滑移壁面條件。由于模型為實(shí)際模型的1/4，側(cè)壁面采用對稱邊界條件。

1.4 網(wǎng)格無關(guān)性驗(yàn)證

為保證計(jì)算精度，對模型網(wǎng)格進(jìn)行了無關(guān)性驗(yàn)證。建立三個不同網(wǎng)格數(shù)目的環(huán)形均布器模型，網(wǎng)格數(shù)分別為304 845、615 640、801 752個，對氣相速度為1.0 m/s、液相壓力為2 kPa條件下的工況進(jìn)行模擬。得到的模型小孔液相流量對比如表2。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，網(wǎng)格數(shù)為60萬與80萬的模型通道出口流量與各通道質(zhì)量流量離散系數(shù)相差不大，最終選擇網(wǎng)格數(shù)目為80萬左右的模型進(jìn)行模擬。

表2 網(wǎng)格無關(guān)性驗(yàn)證表

2 模擬分析及討論

2.1 均勻性模擬方案

繞管換熱器在實(shí)際運(yùn)行時，各種設(shè)備會遇到不穩(wěn)定運(yùn)行的狀況，此時換熱器內(nèi)的運(yùn)行參數(shù)如氣相的流量與液相入口的壓力就會發(fā)生相應(yīng)的變化。對不同氣相入口速度與液相入口壓力工況下的環(huán)形均布器進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，分析對比其均勻性來研究二者對均勻性的影響。

具體運(yùn)行參數(shù)對比均勻設(shè)計(jì)試驗(yàn)方案見表3與表4。

表3 環(huán)形均布器不同氣相入口速度工況設(shè)計(jì)表

表4 環(huán)形均布器不同液相壓力工況設(shè)計(jì)表

2.2 均勻性評價比較

在分析過程中均布器的均勻性用比例系數(shù)K與離散系數(shù)STD表示，其定義式如式(1)和式(2)

(1)

(2)

式中K——比例系數(shù);

STD——離散系數(shù);

Qi——晃動條件下各通道流量/kg·s-1;

N——通道總數(shù)目;

i——通道編號，1,2,…,N。

比例系數(shù)是指同一工況下每個通道監(jiān)測的流量值與各個通道平均流量的比值，可以直觀地得到同一工況下各通道流量值的相對大小關(guān)系，比例系數(shù)越接近1，流體分配均勻性越好。離散系數(shù)主要用于比較不同工況下的均布器的離散程度，可以反映不同工況條件下均布器物流分配的均勻性，便于分析不同運(yùn)行參數(shù)對于均布器均布性的影響規(guī)律，離散系數(shù)越小，物流分配均勻性越好。

2.3 模擬結(jié)果分析

2.3.1 不同氣相入口速度對比

環(huán)形均布器對氣液兩相流的均配中，氣相流速與液相流速為重要的運(yùn)行參數(shù)。在研究氣相流速對于分配均勻性的影響時，液相入口壓力保持不變，改變氣相入口速度，得到8種不同工況下的比例系數(shù)及離散系數(shù)如圖4所示。

圖4 不同氣相入口速度條件下分配均勻性對比

圖4(a)展示了在不同氣相流速下不同出流小孔的分配情況。從圖中可以看出，在同一工況下，不同通道的流量之間存在一定程度的不均勻性。這是由于不同的流道所處的均布器的位置不同，其具有不同的沿程阻力，同時受到加工條件的限制，每個流道處的局部阻力也不相同，以上兩種因素影響了流體的分配情況。圖4(a)還表明，在不同氣相入口速度條件下，每個流道間的液相流量有一定的波動，氣相流速對環(huán)形均布器的均配性能有一定影響。

圖4(b)給出了不同氣相速度條件下的離散系數(shù)。從圖中可知，在液相入口壓力保持在2 kPa的條件下，隨著氣相入口速度的增大，均布器的離散系數(shù)呈現(xiàn)出先減小而后增大的趨勢。氣相入口速度在較小時(0.1 m/s、0.2 m/s)與只有液相的工況相比(氣相入口速度為0)離散系數(shù)略有減小。而當(dāng)氣相入口速度較大時(0.5～1.5 m/s)，隨著氣相入口速度增大，模型離散系數(shù)逐漸增大，說明模型的均勻性逐漸變差。

圖5 不同液相入口壓力條件下離散系數(shù)對比

分析其原因：當(dāng)氣相入口速度較小時，液相出口處的壓力場較穩(wěn)定，隨著氣相入口速度的增大，液相通道外的壓力隨之減小，導(dǎo)致液相進(jìn)出口壓差變大，沿程阻力對流量分配的影響變小，使得均勻性改善。而當(dāng)氣相速度增加到一定程度時，氣相流過環(huán)管的擾流增加，流場波動增大，不穩(wěn)定性增強(qiáng)，增大了局部阻力的差異性，使得流量分配不均勻程度增加，均勻性惡化。

2.3.2 不同液相入口壓力對比

液相流量對于分配均勻性的影響以液位高度的形式體現(xiàn)，不同的液位高度即對應(yīng)了不同的液相入口壓力。圖5展示了不同液相入口壓力條件下離散系數(shù)的變化情況。在氣相速度分別為0.6 m/s，0.9 m/s與1.2 m/s的情況下，隨著液相入口壓力不斷增大，均布器各通道流量的離散系數(shù)不斷減小，即均布器的分布均勻性逐漸改善。這是由于液相入口壓力的增大使得液相進(jìn)出口壓差也增大，導(dǎo)致氣體擾動及小孔通道結(jié)構(gòu)等產(chǎn)生的阻力不均勻性相對變小，從而使得整體的流體分配均勻性得到改善。

3 結(jié)論

本文建立了混合制冷劑環(huán)形均布器均布流動計(jì)算模型，對不同運(yùn)行參數(shù)條件下混合制冷劑環(huán)形均布器的均布性情況進(jìn)行了數(shù)值模擬，分析了氣相入口速度與液相入口壓力對于環(huán)形均布器分配均勻性的影響，得到了如下結(jié)論：

(1)環(huán)形均布器各液相流道因沿程阻力與局部阻力的不同而存在一定程度的流體分配不均勻。

(2)當(dāng)氣相入口速度較小時，環(huán)形均布器的液相均勻性隨著氣相入口速度的增大而改善；當(dāng)氣相入口速度較大時，環(huán)形均布器的液相均勻性隨氣相入口速度的增大而變差。

(3)隨著液相入口壓力的增大，環(huán)形均布器的液相均勻性逐漸改善。

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