傾斜安裝對(duì)注液封條兩相流分配特性的影響

，，　，　，，

(1.中海石油氣電集團(tuán)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(lái)煤炭資源的不斷消耗使人類對(duì)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(lái)越多的關(guān)注。換熱器作為天然氣開(kāi)發(fā)的關(guān)鍵設(shè)備，其性能決定了天然氣開(kāi)采的效率。板翅式換熱器作為L(zhǎng)NG主低溫?fù)Q熱器將氣態(tài)天然氣液化，但在設(shè)計(jì)、制造、安裝、運(yùn)行中的種種問(wèn)題會(huì)引起換熱器內(nèi)部?jī)上嗔黧w流動(dòng)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(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)板翅式換熱器兩相流動(dòng)不均勻開(kāi)展了大量的研究并提出多種改進(jìn)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(duì)板翅式換熱器中入口封頭的結(jié)構(gòu)提出了改進(jìn)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(zhǎng)以及孔徑等參數(shù)對(duì)笛形管入口結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，改進(jìn)后的笛形管具有良好的氣液分配效果；章曉龍[10]對(duì)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(jìn)行了分析，介紹了多種改善板翅式換熱器換熱性能的改進(jìn)措施；Robertosn等[11]在研究中提出先分離再單獨(dú)進(jìn)入板翅式換熱器進(jìn)行混合的方法的均勻性要優(yōu)于兩相流直接進(jìn)入板翅式換熱器內(nèi)部；吳裕遠(yuǎn)等[12]也通過(guò)實(shí)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(dá)到氣液分配均勻；袁培等[13]利用水-空氣對(duì)一種氣液分離入口的注液封條結(jié)構(gòu)的分配性能進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)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(jìn)行氣液分配，取得了良好的均配效果。但在實(shí)際使用過(guò)程中，由于加工安裝精度以及長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行疲勞的影響，注液封條的安裝位置會(huì)發(fā)生傾斜從而對(duì)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(duì)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(jìn)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(jiǎn)化

本文采用了SolidWorks三維建模軟件對(duì)板翅式換熱器注液封條進(jìn)行了模型簡(jiǎn)化建模，具體結(jié)構(gòu)參數(shù)見(jiàn)表1。在注液封條內(nèi)，選取了40個(gè)氣相通道和兩個(gè)液相通道進(jìn)行流體均布性能分析，如圖1所示。液相工質(zhì)從兩個(gè)液體通道兩端分四路進(jìn)入注液混合結(jié)構(gòu)，通過(guò)液體小孔流向氣相通道。在長(zhǎng)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(jì)算采用六面體結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格對(duì)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(jìn)行了網(wǎng)格無(wú)關(guān)性驗(yàn)證，最終的網(wǎng)格數(shù)為632 579個(gè)，如圖2所示。為了保證模擬數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，在網(wǎng)格模型中，將每4個(gè)氣體通道設(shè)為一個(gè)監(jiān)測(cè)面，分別命名為第1至第10個(gè)通道(out1-out10)，監(jiān)測(cè)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(gè),間距20 mm液體通道 1 225 mm×10 mm×3.2 mm×2個(gè),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(dòng)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(guò)求解單獨(dú)的動(dòng)量方程和處理穿過(guò)區(qū)域的每一流體的體積分?jǐn)?shù)來(lái)模擬兩種或多種流體的流動(dòng)情況。由于我們研究的是整個(gè)流場(chǎng)中的瞬態(tài)發(fā)展過(guò)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(jì)算基于如下的約束

(2)

物性方程

(3)

(4)

動(dòng)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(dòng)，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(biāo)準(zhǔn)k-ε模型中相同，Cμ=0.084 5，C1ε=1.42，C2ε=1.68；

αk、αg——湍流動(dòng)能和耗散率的有效普朗特?cái)?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(jìn)行靜止條件下的板翅換熱器注液封條均布流動(dòng)特性的研究。在模擬過(guò)程中，氣液兩相流體的物性參數(shù)采用真實(shí)工質(zhì)的物性參數(shù)數(shù)據(jù)，具體數(shù)據(jù)見(jiàn)表2。對(duì)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(guò)程中壓力參考點(diǎn)設(shè)置在液體進(jìn)口中心點(diǎn)，壁面設(shè)置為無(wú)滑移壁面。其他數(shù)值模擬參數(shù)根據(jù)文獻(xiàn)調(diào)研及實(shí)際情況進(jìn)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(jìn)行并行計(jì)算，計(jì)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(shí)對(duì)于監(jiān)測(cè)的各氣相通道出口質(zhì)量進(jìn)行數(shù)值對(duì)比，不再發(fā)生數(shù)據(jù)波動(dòng)，計(jì)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(dòng)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(qiáng)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(qiáng)/Pa101 325時(shí)間步長(zhǎng)/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?jǐn)?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(guò)對(duì)10個(gè)氣液兩相通道出口的質(zhì)量流量的流量不均勻度來(lái)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(hào)。

在分析過(guò)程中，為了便于對(duì)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(shuō)明該工況流體分配越均勻；反之，說(shuō)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(duì)四種不同安裝位置及其傾斜形式對(duì)于注液封條流量分配不均勻性的影響開(kāi)展數(shù)值模擬研究，安裝位置示意見(jiàn)圖3，安裝位置發(fā)生變化時(shí)入口條件保持不變。對(duì)于每種注液封條的安裝位置，都進(jìn)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(jì)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(shí)不同傾斜角度下10個(gè)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(shì)。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(gè)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(shì)，說(shuō)明注液封條氣相通道豎直向上放置安裝時(shí)不同角度的偏移對(duì)其流量分配的均勻性有一定的促進(jìn)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(shì)為側(cè)傾角度越大，離散系數(shù)越大，說(shuō)明注液封條氣相通道豎直向上安裝時(shí)不同側(cè)傾角度對(duì)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(shí)不同偏移角度下10個(gè)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(shì)，與注液封條豎直向上時(shí)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(dòng)時(shí)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(shí)，安裝位置左偏時(shí)離散系數(shù)總體呈小幅度減小，右偏時(shí)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(shí)略有優(yōu)化，右偏時(shí)略有惡化，但總體上來(lái)看，安裝位置偏移會(huì)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(shuō)明側(cè)傾會(huì)嚴(yán)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(shí)10個(gè)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(shí)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(shí)10個(gè)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(shuō)明注液封條液相通道水平向上放置安裝時(shí)不同偏移角度對(duì)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(shuō)明注液封條液相通道水平向上放置安裝時(shí)側(cè)傾對(duì)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(shí)10個(gè)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(shí)放置趨勢(shì)相近，側(cè)傾較偏移對(duì)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(shí)，不同偏移角度對(duì)于其流量分配特性影響較小，而不同側(cè)傾角度對(duì)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(shí)，對(duì)比的氣液兩相在各個(gè)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(shí)，各通道的兩相流體分配趨勢(shì)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(shì)影響較小。同時(shí)對(duì)比幾種安裝方式，側(cè)傾安裝會(huì)導(dǎo)致流體均勻性惡化，而偏移安裝則影響較小，這是因?yàn)閭?cè)傾安裝會(huì)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(shí)受到重力的影響，不同連通小孔處的氣液夾帶效率也會(huì)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(shí)，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(shì)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(duì)于氣液分配的總趨勢(shì)影響較小。且安裝不發(fā)生傾斜時(shí)，四種安裝形式對(duì)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(duì)于同一種安裝位置，當(dāng)注液封條處于不同偏移角度時(shí)，板翅式換熱器各通道的氣液流量分配的總趨勢(shì)與不偏移時(shí)一致，即偏移角度不會(huì)改變氣液兩相在各個(gè)通道的分配趨勢(shì)；當(dāng)封條豎直向上安裝時(shí)，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(shí)，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(shí)，兩相均勻性變化較小，幾乎不會(huì)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(shí)，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?yàn)閭?cè)傾安裝會(huì)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(shí)受到重力的影響，不同連通小孔處的氣液夾帶效率也會(huì)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(shí)際工程中應(yīng)盡量避免側(cè)傾安裝。