天然氣液化主低溫換熱器流動換熱特性教學(xué)實驗設(shè)計

韓 輝，李玉星，朱建魯，王武昌，胡其會，孫崇正

（中國石油大學(xué)（華東）儲運與建筑工程學(xué)院，山東省油氣儲運安全省級重點實驗室，山東青島 266580）

0 引 言

2020 年9 月，習(xí)近平總書記提出“碳排放力爭于2030 年前達到峰值，努力爭取2060 年前實現(xiàn)碳中和”的目標(biāo)［1］。天然氣作為一種低碳能源，在我國向低碳能源轉(zhuǎn)型并最終實現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)的過程中起著重要的橋梁作用［2-3］。液化天然氣（Liquefied Natural Gas，LNG）是天然氣的一種高效運輸、儲存方式，逐漸成為國際天然氣貿(mào)易的主流形式。2020 年，我國LNG 進口總量約為7.24 ×106t，約合9 ×1010m3，占我國天然氣進口總量的65%［4-6］。LNG需求的劇增必將帶來其產(chǎn)業(yè)鏈的飛速發(fā)展，同時也提高了對液化天然氣方面人才培養(yǎng)的要求。我校在油氣儲運工程專業(yè)開設(shè)液化天然氣利用技術(shù)這門課程已有12 年，目前課程體系成熟，教學(xué)內(nèi)容覆蓋液化天然氣產(chǎn)業(yè)鏈上中下游的主要工藝與設(shè)備，使本專業(yè)畢業(yè)生具有從事液化天然氣相關(guān)工作的基礎(chǔ)知識與技能。2019 年，本專業(yè)通過專業(yè)認證，圍繞培養(yǎng)“能夠分析、解決復(fù)雜工程問題”的專業(yè)技術(shù)人才這一目標(biāo)［7-8］，考慮到本專業(yè)課程實驗在天然氣液化工藝中主低溫換熱設(shè)備方面少有涉及，因此教研組以國家自然科學(xué)基金聯(lián)合重點項目“新型FLNG裝置天然氣帶壓液化復(fù)雜流動與換熱的基礎(chǔ)問題”項目以及山東省自然科學(xué)基金“多自由度擾動下微通道內(nèi)非共沸工質(zhì)流型演化及換熱特性研究”項目為依托，搭建了一套天然氣液化主低溫換熱器流動與換熱實驗裝置，該裝置可以實現(xiàn)低溫測試條件下流型演化特性觀測［9］和流動換熱性能測試［10-11］。裝置具有較好的通用性，對天然氣液化工藝中常見的主低溫換熱器，例如板翅式換熱器、繞管式換熱器以及印刷電路板式換熱器等［12-14］均可通過更換測試段實現(xiàn)測試；同時測試段可靈活拆卸、組裝，用于測試不同的內(nèi)部通道結(jié)構(gòu)和管型等參數(shù)影響。利用該實驗裝置開展不同主低溫換熱器在不同溫區(qū)的流動換熱課程實驗，幫助學(xué)生理解換熱設(shè)備的換熱規(guī)律與工作機制，鍛煉學(xué)生形成分析、解決天然氣液化工藝中主低溫換熱器存在的復(fù)雜流動傳熱問題的能力［15］。

1 實驗系統(tǒng)設(shè)計

1.1 流動換熱實驗平臺的設(shè)計

搭建的天然氣液化主低溫換熱器流動換熱特性實驗裝置的工藝流程如圖1 所示。實驗流程包括低溫冷劑循環(huán)、液氮制冷流路、常溫液相冷劑循環(huán)、熱水循環(huán)和冷水循環(huán)。裝置可以實現(xiàn)低溫和常溫條件下不同冷劑的流動傳熱測試。

圖1 天然氣液化工藝主低溫換熱器流動換熱特性實驗裝置及工藝流程

常溫冷劑循環(huán)中，采用戊烷作為測試工質(zhì)，分離器中的液態(tài)戊烷通過屏蔽泵輸送至板式換熱器，與熱水進行換熱，達到飽和溫度后進入可視化測試段。泵的出口設(shè)有至分離器的旁通，便于流量進一步調(diào)節(jié)。戊烷進入可視化測試段后，在換熱通道中被加熱并完成換熱和壓降性能測試；流出測試段后，經(jīng)水冷后返回分離器。為了實現(xiàn)戊烷的加熱和冷卻，分別配套設(shè)計了熱水和冷水循環(huán)，冷、熱水分別通過離心泵輸送至板式換熱器，換熱后回到儲罐。實驗中通過調(diào)節(jié)變頻泵頻率及出口閥門開度控制質(zhì)流密度（30～50 kg／（m2·s）和工質(zhì)入口干度（0～1）。

低溫冷劑循環(huán)中，實驗工質(zhì)包括氬氣、R11 等。氣體工質(zhì)經(jīng)風(fēng)機增壓后，進入板式換熱器冷卻，之后在兩級冷凝器中與液氮換熱實現(xiàn)預(yù)冷和過冷。液化后的冷劑進入低溫實驗測試段，在換熱測試段，冷劑被加熱完成相變傳熱，同時進行該過程的流動和換熱性能測試。換熱后的工質(zhì)通過氣化器完全氣化后，回到風(fēng)機入口。低溫實驗中采用液氮冷卻，液氮通過自增壓從儲罐流出，依次進入深冷冷凝器和預(yù)冷凝器，換熱后排入空氣中。低溫實驗管路和測試段需要包裹保溫層保冷，以確保低溫實驗的正常進行。

1.2 不同換熱器測試段的設(shè)計

為了能夠?qū)崿F(xiàn)不同低溫換熱器的測試，針對典型的換熱器結(jié)構(gòu)，例如繞管式換熱器和印刷電路板式換熱器，分別進行了測試段的設(shè)計，測試段可以直接與實驗平臺連接，開展實驗測試。

（1）繞管式換熱器測試段的設(shè)計。繞管式換熱器是一種大型的換熱設(shè)備，實驗室加工的測試段應(yīng)能夠體現(xiàn)該類型設(shè)備的主要流動和換熱特征，設(shè)計的結(jié)構(gòu)如圖2 所示，由外殼、管束、側(cè)板與可視化窗口組成。設(shè)計外殼尺寸為130 mm ×98 mm ×314 mm，材料為304 不銹鋼；管束是繞管式換熱器工作部分的主體，其前后由2 層管束組成，由上到下依次為多排穩(wěn)流管和測試管，測試管管壁軸向打孔，可插入T 型熱電偶測溫；管內(nèi)置電加熱棒，通過控制柜調(diào)節(jié)電加熱棒的功率，以提供不同大小熱流，單根加熱棒最大功率為240 W?？梢暬翱跒? mm厚度的透明亞克力板。側(cè)板用于固定管束，通過改變側(cè)板開孔位置、大小、形狀可以方便實現(xiàn)不同管間距、管徑、管形的測試管測試。圖3 所示為加工測試的幾種換熱管管形。側(cè)板與外殼通過螺栓連接并用丁腈墊片密封。

圖2 繞管式換熱器測試段結(jié)構(gòu)

圖3 繞管式換熱器測試段換熱管管形

（2）印刷電路板式換熱器測試段設(shè)計。印刷電路板換熱器是一種高效緊湊式換熱器，其通道尺寸在毫米級，典型換熱通道結(jié)構(gòu)如圖4 所示，測試段由微通道測試段和有機玻璃蓋板構(gòu)成，微通道測試段通過化學(xué)蝕刻或者機械加工的方式制作。在測試通道底部對應(yīng)放置長200 mm，寬60 mm的電加熱片，以實現(xiàn)測試段的均勻加熱，并通過控溫箱來控制加熱的熱流密度。為測量通道的流動換熱性能，在測試段進口安裝流量計，進、出口處分別布置溫度和壓力傳感器，測量工質(zhì)的流量、溫度和壓力等參數(shù)。同時，微通道底部5 mm處沿流動方向等距布置6 個?2 mm的測溫孔，以放置熱電偶，測量沿程的溫度變化。為減小實驗過程中由于漏熱帶來的熱損失，在進行流動沸騰換熱實驗時，對整個實驗裝置包裹保溫隔熱材料。

圖4 印刷電路板換熱器測試段示意圖

2 用于課程實驗的可行性分析

本裝置側(cè)重于天然氣液化過程中不同類型主低溫換熱器在不同溫區(qū)的流動換熱性能測試，具有以下特點：

（1）實驗內(nèi)容豐富性。天然氣液化工藝所常用的主低溫換熱器類型并非單一，不同類型換熱器的流動換熱性能差異較大；同時，對于同一類型換熱器用于天然氣液化時，其工作溫區(qū)跨度較大，流動換熱規(guī)律也不盡相同。當(dāng)前實驗裝置將流體控制系統(tǒng)與測試段分離，采用標(biāo)準(zhǔn)化進出口連接方式，便于更換不同類型測試段；此外，可通過控制管路閥門切換使用常溫管路與低溫管路，實現(xiàn)不同操作溫度下的實驗。

（2）實驗裝置可靠性。當(dāng)前實驗裝置離心泵、板式換熱器、流量計、溫度傳感器、壓力傳感器等所有設(shè)備選型參數(shù)均按所定實驗工況計算所得，均可在設(shè)計實驗工況范圍內(nèi)長時間穩(wěn)定運行。所有管路均做充分保溫處理，確保換熱實驗系統(tǒng)的漏熱量在允許范圍內(nèi)。

（3）實驗裝置安全性與易操作性。當(dāng)前實驗裝置運行壓力較低，管道承壓富余量極大；管道經(jīng)過嚴(yán)格的泄漏檢測，且動力設(shè)備均設(shè)有旁通管路，儲罐等設(shè)置有放空閥，可確保實驗安全性。當(dāng)前裝置流體控制系統(tǒng)集中在兩層操作平臺，便于集中調(diào)節(jié)系統(tǒng)工作狀態(tài)，測試段與流體控制系統(tǒng)連接標(biāo)準(zhǔn)化，更換方便。

課程實驗于完成相關(guān)課程章節(jié)知識教學(xué)后進行，實驗開始前，學(xué)生需熟悉所有設(shè)備的使用方法以及實驗步驟。

（1）按照預(yù)定實驗內(nèi)容選取對應(yīng)實驗材料，組裝測試段，并進行密封與保溫；達到密封性與保溫性要求后，將測試段通過快速接頭與流體控制系統(tǒng)進行連接。

（2）進行常溫實驗時，首先確保管路閥門處于常溫管路暢通、低溫管路封閉狀態(tài)。啟動戊烷變頻離心泵，使系統(tǒng)處于工作狀態(tài)；通過調(diào)節(jié)變頻器及泵的出口閥門與旁通管路閥門開度調(diào)節(jié)管路中戊烷的壓力與流量；之后通過調(diào)節(jié)熱水循環(huán)管路閥門開度來調(diào)節(jié)進入測試段戊烷的溫度與干度，調(diào)節(jié)加熱棒控制柜來調(diào)節(jié)測試段中的換熱量；然后通過調(diào)節(jié)冷水循環(huán)管路閥門開度來調(diào)節(jié)回到戊烷儲罐的戊烷溫度；所有設(shè)備調(diào)節(jié)完畢后，使系統(tǒng)按當(dāng)前狀態(tài)工作20 min 以上，以確保達到換熱平衡狀態(tài)；之后采用高速攝像機對戊烷流動特征進行拍攝，同時記錄對應(yīng)流量與換熱量下管路中所有溫度傳感器、壓力傳感器及壓差傳感器示數(shù)，以便進行數(shù)據(jù)處理；實驗結(jié)束后，依次關(guān)閉加熱棒控制柜和所有離心泵設(shè)備，關(guān)閉管路所有閥門并拆卸測試段。

（3）進行低溫實驗時，首先確保管路閥門處于低溫管路暢通、常溫管路封閉狀態(tài)。啟動變頻風(fēng)機使系統(tǒng)處于工作狀態(tài)；通過調(diào)節(jié)變頻器及風(fēng)機出口閥門與旁通管路閥門開度調(diào)節(jié)管路中低溫工質(zhì)的壓力與流量；之后調(diào)節(jié)液氮的流量使進入測試段的工質(zhì)溫度處于設(shè)定值，然后調(diào)節(jié)加熱棒控制柜來調(diào)節(jié)測試段中的換熱量；等待換熱平衡時間以及數(shù)據(jù)記錄工作與常溫實驗相同；實驗結(jié)束后，依次關(guān)閉加熱棒控制柜、液氮出口閥和風(fēng)機，關(guān)閉管路所有閥門并拆卸測試段。

3 開設(shè)的實驗項目及教學(xué)效果

目前已開設(shè)的開放實驗項目包括：

（1）換熱器測試段流型可視化。以繞管式換熱器殼側(cè)的降膜流動過程流型觀測為例，管間流型直接影響液膜分布和換熱性能，當(dāng)采用常溫的正戊烷冷劑進行降膜流動時，利用高速相機觀察換熱管管間流動形態(tài)，通過改變噴淋密度、管間距、管形，研究流型演化及轉(zhuǎn)換規(guī)律，綜合不同實驗參數(shù)擬合出管間流型轉(zhuǎn)變關(guān)聯(lián)式。通過該實驗設(shè)計能夠幫助學(xué)生了解換熱器內(nèi)流型劃分的知識、掌握圖像處理方法、分析出換熱器內(nèi)不同參數(shù)對降膜流動的影響規(guī)律以及認識到多種因素對換熱性能的影響機理。圖5 所示給出了實驗過程中觀察到的換熱管管間流動形態(tài)變化，圖6 所示為根據(jù)實驗結(jié)果歸納的不同管型管間流型轉(zhuǎn)變的臨界雷諾數(shù)。

圖5 繞管式換熱器管間降膜流型演化特性

圖6 管間流型轉(zhuǎn)變臨界Re數(shù)

（2）繞管式換熱器流動與換熱性能測試實驗。研究繞管式換熱器的流動與換熱性能是進行該型換熱器設(shè)計的關(guān)鍵。通過實驗分析得到結(jié)構(gòu)參數(shù)（管間距、管形），工況參數(shù)（質(zhì)量流量、熱流密度）對降膜換熱性能的影響規(guī)律，開發(fā)針對不同管形的換熱和阻力關(guān)聯(lián)式。圖7 所示給出了3 種管形下熱流密度對換熱性能的影響曲線。由圖可見，以熱流密度對傳熱系數(shù)影響為例，熱流密度較高時，傳熱以核態(tài)沸騰為主，沸騰傳熱隨熱流密度的增加而變?nèi)?，這是因為隨著熱流密度增加蒸發(fā)量增加，在同樣液膜供給量的前提下，蒸干發(fā)生的概率增大?？拷诿娴囊耗の鼰嵘蓺馀荩瑲馀菹蛞好孢w移的過程中增加液膜擾動也對傳熱有強化作用。當(dāng)熱流密度較小時，液膜內(nèi)對流傳熱占主導(dǎo)。在滿足液膜完全覆蓋的前提下，傳熱系數(shù)不受熱流密度的影響。

圖7 3種管形下熱流密度對換熱性能的影響曲線

（3）印刷電路板換熱器通道內(nèi)流動換熱性能測試。印刷電路板式換熱器（PCHE）是一種高效的微通道換熱器，通道結(jié)構(gòu)對流動換熱特性影響顯著，以綜合性能較優(yōu)的翼型翅片通道為例，在入口雷諾數(shù)為928～2 705的范圍內(nèi)，測量并計算了翼型PCHE 通道內(nèi)戊烷工質(zhì)流動換熱的換熱系數(shù)及壓降，結(jié)果如圖8 所示，實驗過程中的熱流密度為9.134 kW·m－2。由圖可見，伴隨戊烷入口雷諾數(shù)增加，翼型通道的換熱系數(shù)整體呈上升趨勢，且上升的幅度越來越大，Re數(shù)從928 增加到2 705 時換熱系數(shù)增幅約為3 倍，壓降增加3.89倍，壓降增幅高于換熱系數(shù)增加。這是因為入口質(zhì)量流量的增大加快了熱量的交換效率，進而導(dǎo)致通道的整體換熱性能升高與壓降損失增大。

圖8 不同Re數(shù)下PCHE通道換熱系數(shù)及壓降的變化

通過控制加熱器功率可以調(diào)節(jié)PCHE通道壁面的熱流條件。圖9 所示為不同熱流密度下通道整體換熱系數(shù)及流動阻力的變化趨勢。對于翼型PCHE通道內(nèi)戊烷兩相換熱實驗，伴隨壁面熱流密度的提升，通道整體換熱系數(shù)與流動阻力均成上升趨勢，且增幅逐漸減緩。這是因為高熱流密度下，一方面流體溫度提升，其密度、黏度隨之降低，從而在質(zhì)量流量一定的前提下增大了流體的流速，進而加強了換熱效果與流動損失；另一方面，熱流密度的增大會導(dǎo)致壁面處溫度過高，導(dǎo)致流體產(chǎn)生局部流動沸騰現(xiàn)象，產(chǎn)生氣泡流動，從而提升了通道的總換熱系數(shù)，但同時氣泡流產(chǎn)生的擾動也加劇了流體對壁面的沖擊，從而提升了流動阻力。

圖9 不同熱流密度下PCHE通道換熱系數(shù)及壓降的變化

4 結(jié) 語

通過本實驗平臺和測試實驗的設(shè)計，學(xué)生可以綜合性地掌握天然氣液化的工藝流程、換熱器工作原理、實驗操作的方法以及數(shù)據(jù)處理的相關(guān)知識。在對天然氣液化實驗裝置介紹的基礎(chǔ)上，將低溫換熱設(shè)備的實驗裝置與本科教學(xué)結(jié)合，設(shè)計了繞管式換熱器以及印刷電路板式換熱器內(nèi)部流動和換熱測試實驗，并將其應(yīng)用于本科生的課程實驗。主要得到以下結(jié)論：

（1）該實驗搭建的小型天然氣液化裝置結(jié)構(gòu)緊湊，便于調(diào)節(jié)和更換，與當(dāng)下主流工藝緊密貼合，具有一定的可靠性，能夠達到開放教學(xué)實驗的要求。同時也拓展了相對應(yīng)的課程內(nèi)容，便于學(xué)生理解和操作。

（2）通過換熱器管束間降膜流動特性以及換熱器換熱性能測試等一系列的實驗，總結(jié)出換熱器影響因素的一般規(guī)律，運用數(shù)據(jù)加圖像的處理手法，直觀地呈現(xiàn)出其特性的變化趨勢。能夠培養(yǎng)學(xué)生的數(shù)據(jù)分析能力，包括從宏觀角度觀察和微觀視角分析，運用多思維模式去理解并加以運用。

（3）“天然氣液化主低溫換熱器流動換熱特性”這一教學(xué)實驗來自于科研實踐，結(jié)合了液化天然氣利用技術(shù)課程的特點，具有較高的科學(xué)性和綜合性。該實驗涉及天然氣液化技術(shù)中較多的知識點，對學(xué)生的基礎(chǔ)實驗?zāi)芰τ兄^高的要求。通過對該實驗進行學(xué)習(xí)和操作，這些實驗操作與知識點交織結(jié)合，可有效地鍛煉學(xué)生的動手能力，促進學(xué)生對相關(guān)內(nèi)容的記憶和理解，激發(fā)其學(xué)習(xí)興趣，端正其學(xué)習(xí)態(tài)度。