LNG繞管式換熱器殼側(cè)換熱特性研究

吳 曉

(山東石油化工學(xué)院，山東 東營(yíng) 257061)

繞管式換熱器主要應(yīng)用于陸上大型天然氣液化廠，為了滿(mǎn)足不斷發(fā)展的天然氣液化工藝要求，繞管式換熱器的液化能力逐漸增大。國(guó)內(nèi)外對(duì)其換熱特性的研究也越來(lái)越深入。本文通過(guò)數(shù)值模擬，明確不同運(yùn)行工況對(duì)LNG繞管式換熱器殼側(cè)換熱特性的影響。

1 繞管式換熱器的基本結(jié)構(gòu)和研究現(xiàn)狀

圖1 繞管式換熱器剖面結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Sectional structure of wound heat exchanger

繞管式換熱器是管殼式換熱器的一種，是一種緊湊高效新型換熱器，具有一定的溫度自補(bǔ)償能力，單位換熱面積大，換熱效率較高，可實(shí)現(xiàn)多股流換熱。繞管式換熱器主要由換熱管、殼體、墊條及芯部金屬管組成，如圖1所示。

浦暉等[1]對(duì)繞管式換熱器指出天然氣預(yù)冷、液化、過(guò)冷等過(guò)程的熱問(wèn)題和溫度關(guān)系難以準(zhǔn)確模擬與計(jì)算等問(wèn)題；吳志勇等[2]對(duì)LNG繞管式換熱器殼側(cè)過(guò)熱態(tài)進(jìn)行了數(shù)值模擬的研究，總結(jié)出繞管式換熱器具有?倎結(jié)構(gòu)緊湊，單位容積具有較大的傳熱面積?偉f抗高壓等優(yōu)點(diǎn)；賈金才[3]對(duì)影響換熱管傳熱特性的幾何參數(shù)做了大量的研究，指出：管徑越小、徑向比越小、軸向比越大時(shí)換熱效果越好；徑向比越小對(duì)換熱越好，但是當(dāng)徑向比小到一定程度時(shí)，對(duì)換熱的影響將不顯著；尹接喜等[4]對(duì)纏繞管換熱器并管傳熱模型做了大量的實(shí)驗(yàn)，對(duì)并管管壁微元段建立熱平衡方程，提出了多流體纏繞管換熱器的并管傳熱模型；張高鵬等[5]建立了多股流繞管式換熱器的三維模型，在用FLUENT進(jìn)行數(shù)值模擬時(shí)，得出結(jié)論：每股流體的Nu數(shù)和單位管長(zhǎng)壓降隨著層數(shù)或換熱管外徑的增加而逐漸增大、隨著中心筒直徑的增加而逐漸增大；李琴等[6]對(duì)三層繞管式換熱器進(jìn)行了數(shù)值模擬研究，得出結(jié)論:換熱管直徑增大，入口速度增大，纏繞角度增大都可使傳熱系數(shù)K增大，但達(dá)到一定數(shù)值后效果不明顯；季鵬[7]通過(guò)計(jì)算不同結(jié)構(gòu)參數(shù)下繞管式換熱器的殼側(cè)結(jié)構(gòu)因子和管側(cè)傳熱系數(shù)，得出結(jié)論:降低墊片厚度,減小繞管軸向間距和纏繞角度都可使繞管式換熱器殼側(cè)換熱顯著增強(qiáng)。但保持雷諾數(shù)不變，增加繞管內(nèi)徑，管側(cè)傳熱系數(shù)減小。

吳金星等[8]分別建立了不同繞管式換熱器模型，傳熱系數(shù)隨管間距的增大而增大。Lu等[9]以通過(guò)數(shù)值模擬的方法，研究結(jié)果表明，繞管式換熱器殼側(cè)Nu數(shù)和壓降隨換熱管外徑、換熱管層數(shù)和中心簡(jiǎn)直徑的增大而增大，但隨換熬營(yíng)問(wèn)距和換熱管層間距的增大面減??；魏江濤等[10]得出了以下結(jié)論：管徑越大，傳熱系數(shù)越小。徑向比越大，傳熱系數(shù)越小。在允許的情況下，適當(dāng)?shù)脑黾訑_度對(duì)換熱有促進(jìn)作用；鄭州大學(xué)[11]對(duì)螺旋纏繞管換熱器的傳熱性能做了大量的數(shù)值研究。在此基礎(chǔ)上提出了螺旋纏繞三葉管和螺旋纏繞橢圓管的新結(jié)構(gòu)；陸星等[9]對(duì)不同邊界條件下多層繞管式換熱器的換熱性能做了大量的研究。

2 殼側(cè)模型的建立

2.1 物理模型描述

繞管式換熱器殼程由2～5 mm厚的帶狀金屬條分隔開(kāi)，對(duì)流動(dòng)有影響并有利于強(qiáng)化傳熱，但其效果并不明顯，但是由于墊片的存在，在劃分網(wǎng)格時(shí)，導(dǎo)致網(wǎng)格數(shù)量急劇增長(zhǎng)，并最后導(dǎo)致計(jì)算無(wú)法進(jìn)行，并且墊片的存在只起到支撐作用，因而在建立模型時(shí)，忽略墊片的存在，只保留繞管與繞管間的距離，用SolidWorks建立幾何模型，如圖2所示。

圖2 繞管式換熱器非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格幾何模型Fig.2 Unstructured grid geometric model of wound heat exchanger

2.2 數(shù)學(xué)模型描述

連續(xù)性方程：

(1)

(2)

(3)

動(dòng)量方程：

(4)

能量方程：

(5)

式中：keff為是有效熱傳導(dǎo)率；SE為體積熱源。

3 殼側(cè)數(shù)值模擬及分析

3.1 不同雷諾數(shù)下殼側(cè)流體流動(dòng)傳熱特性

如圖3所示通過(guò)計(jì)算結(jié)果可以輕易地看出在Re不斷增大時(shí)，Nu隨之增大，換熱效果得到了增強(qiáng)，但當(dāng)Re增大到一定程度時(shí)，殼側(cè)低溫冷劑的換熱作用則增長(zhǎng)較慢。在雷諾數(shù)較小時(shí)，增大雷諾數(shù)會(huì)導(dǎo)致殼側(cè)低溫冷劑與繞管的接觸更加的充分，因而換熱效果會(huì)不斷地增強(qiáng)，但是當(dāng)雷諾數(shù)很大時(shí)，雷諾數(shù)將不再是影響換熱效果的一個(gè)很重要的因素，因此，在增大殼側(cè)低溫冷劑入口雷諾數(shù)時(shí)并不能使換熱效果明顯增強(qiáng)，變化將趨于平緩。因而在繞管式換熱器進(jìn)行換熱實(shí)驗(yàn)時(shí)，采用合適的流速對(duì)換熱效果是十分重要的。

圖3 努塞爾數(shù)變化情況Fig.3 Change of Nusselt number

3.2 不同干度下殼側(cè)流動(dòng)特性

如圖4可以很直觀的觀察到，當(dāng)殼側(cè)低溫冷劑的干度增加時(shí)，繞管式換熱器殼側(cè)的換熱效果逐漸的變差。經(jīng)過(guò)分析，當(dāng)干度不斷增大時(shí)，氣相輕組分所占比重會(huì)相對(duì)降低，因而，換熱效果會(huì)有所削弱；再者，當(dāng)干度不斷增大時(shí)，氣相組分所占的比重會(huì)越來(lái)越大，而氣相組分的存在則會(huì)對(duì)流體產(chǎn)生擾動(dòng)，從而使殼側(cè)低溫冷劑與螺旋繞管進(jìn)行換熱時(shí)，低溫冷劑不能充分的與管側(cè)進(jìn)行換熱，從而導(dǎo)致?lián)Q熱效果不有所削弱。

圖4 努塞爾數(shù)變化情況Fig.4 Change of Nusselt number

3.3 傾斜狀態(tài)下不同雷諾數(shù)的數(shù)值模擬

在5°、10°、15°、20°、25°、30°固定傾角下，雷諾數(shù)對(duì)繞管式換熱器殼側(cè)換熱的影響，如圖5所示，傾斜工況工況與豎直工況相比較，在低雷諾數(shù)時(shí)，在傾斜工況下殼側(cè)的換熱效果更為的優(yōu)越；而隨著雷諾數(shù)的增長(zhǎng)，兩種工況的換熱差距將不斷縮小。分析結(jié)果如下：在傾斜工況下，這種特殊結(jié)構(gòu)對(duì)于物流分配的影響較??；另外，可能是由于這種特殊工況下不會(huì)導(dǎo)致局部的換熱過(guò)度或換熱不足。再者，當(dāng)雷諾數(shù)很大時(shí)，雷諾數(shù)對(duì)換熱效果的影響將比較的微小，因而增大雷諾數(shù)換熱效果將不會(huì)產(chǎn)生很大的變化。

圖5 努塞爾數(shù)變化情況Fig.5 Change of Nusselt number

3.4 傾斜狀態(tài)下不同干度的數(shù)值模擬

圖6 努塞爾數(shù)變化情況Fig.6 Change of Nusselt number

在不同干度下，傾斜和豎直兩種工況下對(duì)殼側(cè)換熱進(jìn)行定量分析，如圖6所示，隨著殼側(cè)入口干度的增加，繞管式換熱器殼側(cè)換熱效果不斷地削弱。并且傾斜工況與豎直工況下相對(duì)比，在傾斜工況下，繞管式換熱器的換熱效果更好，經(jīng)過(guò)分析，認(rèn)為隨著殼側(cè)低溫冷劑與換熱管的換熱，伴隨著相變的發(fā)生，而在入口條件干度不斷增大時(shí)，輕組分所占的比重會(huì)不斷降低，因而，干度越大時(shí)，換熱效果卻會(huì)削弱；再者，當(dāng)干度不斷增大時(shí)，氣相組分所占的比重會(huì)越來(lái)越大，而氣相組分的存在則會(huì)對(duì)流體產(chǎn)生擾動(dòng)，從而使殼側(cè)低溫冷劑與螺旋繞管進(jìn)行換熱時(shí)，低溫冷劑不能充分的與管側(cè)進(jìn)行換熱，從而導(dǎo)致?lián)Q熱效果不有所削弱。

4 結(jié) 論

通過(guò)數(shù)值模擬與分析計(jì)算的方式，研究了雷諾數(shù)、干度以及傾斜角度對(duì)繞管式換熱器殼側(cè)換熱的影響，得出了以下結(jié)論：

(1)在傾斜狀態(tài)下殼側(cè)的低溫冷劑低溫冷劑能更加充分的與繞管進(jìn)行換熱，因而在生產(chǎn)實(shí)踐中，可以適當(dāng)?shù)脑黾永@管式換熱器的傾斜角度；

(2)在干度一定時(shí)，隨著雷諾數(shù)的增加，繞管式換熱器殼側(cè)換熱效果會(huì)不斷地增強(qiáng)，但是雷諾數(shù)增加到一定程度，雷諾數(shù)將不再是影響換熱效果的重要因素，因而，采用合適的流速對(duì)換熱效果十分重要；

(3)在雷諾數(shù)一定時(shí)，隨著干度的增加，繞管式換熱器的換熱效果會(huì)不斷的削弱。當(dāng)干度增大到一定數(shù)值，導(dǎo)致?lián)Q熱效果不有所削弱。