橫搖對水平管外制冷劑兩相降膜流動換熱特性的影響分析

李劍銳，陳杰，浦暉，李恩道，丁國良*，胡海濤，莊大偉

（1-上海交通大學，上海 200240；2-中海石油氣電集團技術研發中心，北京 100028）

橫搖對水平管外制冷劑兩相降膜流動換熱特性的影響分析

李劍銳1，陳杰2，浦暉2，李恩道2，丁國良*1，胡海濤1，莊大偉1

（1-上海交通大學，上海 200240；2-中海石油氣電集團技術研發中心，北京 100028）

為了避免海上復雜工況下繞管式換熱器的性能下降，本文進行了不同橫搖工況下的管外降膜蒸發過程的模擬，分析了橫搖幅度和橫搖頻率對傳熱性能的影響。結果顯示：在0.05干度下，橫搖幅度達到9°時傳熱性能會下降，降幅27%；較低頻率的橫搖工況對傳熱性能影響有微弱強化；相同條件下，干度0.2工況的換熱性能更容易受到橫搖影響，橫搖幅度為3°的工況下，傳熱性能下降11%。

管外；兩相流；降膜；數值模擬；橫搖

0　引言

繞管式換熱器具有結構緊湊、適用地域廣、工況范圍大的特點[1-5]，在天然氣液化中得到廣泛應用。海上浮式氣田FLNG（Floating Liquefied Natural Gas）成為海洋液化天然氣LNG（Liquefied Natural Gas）開發中較好的解決方案[6]，繞管式換熱器作為主要換熱器，不可避免地受到海上復雜工況的影響，從而影響FLNG整體產液率[7-9]。繞管換熱器殼側結構復雜，傳熱和壓降損失都較大[10-14]，因此對繞管換熱器殼側性能的研究十分重要。

由于繞管式換熱器內部殼側包含氣液兩相，為管外降膜流動，而針對殼側數值模擬研究也較少，僅LU等[15]對臥式繞管式換熱器進行單相空氣流模擬，難以滿足殼側多相降膜流動的要求。因此需要開發繞管換熱器殼側降膜流動的數值模型。

目前已有關于管外降膜流動的數值模擬研究[16-20]。針對模擬模型的選擇，KILLION等[16]對比了管外的溴化鋰液滴流動過程的模擬結果與實驗結果。針對液膜流動的偏移，雷賢良等[17]采用VOF方法建立降膜流動模型，分析橫向氣流對液膜流動偏移的影響。針對管外液膜厚度的分布，王小飛等[18]采用VOF模型進行了不同結構的降膜蒸發器對液膜厚度的影響。邱慶剛等[19]通過降膜流動模擬，分析了噴灑密度、管的尺寸對管壁上薄膜厚度的影響因素。盡管現有的降膜流動模擬研究已有很多，但是大都以降膜蒸發器為背景，集中在研究液膜的流動和液膜分布方面，流型研究也在低Re數的范圍內，幾乎沒有關于多相流傳質的模擬研究。

對于海上工況而言，在穩定的情況下可視為6個自由度下的周期性運動耦合而成[7,9]，由于橫搖運動是最為典型的海上工況[7]，本文選擇橫搖工況進行繞管換熱器的性能研究。

1　數值模型

1.1模型對象描述

繞管式換熱器內部結構如圖1所示，管側下進上出，沿途發生天然氣液化過程；管外殼側，上進下出，沿途為制冷劑蒸發過程[7,11]。制冷劑殼側的汽化相變過程屬于流動沸騰過程[10]。流入的制冷劑處于兩相飽和狀態，與管壁接觸的液相和氣相部分發生不同的傳熱過程。

圖1　繞管式換熱器殼側流型示意圖

制冷劑殼側的氣液相間的存在相互作用分為如下3種：1）氣泡的形成、并在液相流動作用下的脫離過程；2）氣泡聚集變大，突破液膜進入氣相的過程；3）氣相膨脹流速增加，對液相的剪切和推動過程。

橫搖運動對殼側流體流動的影響主要有以下兩方面[16]。

1）不同橫搖位置造成重力方向的變化。繞管式換熱器為立式放置，轉動至不同位置時，換熱器內部軸心偏離垂直方向。此時下一根管道不在垂直下方，液膜垂直流下時流動方向并未正對著下方管道，造成液膜流動過程的偏離。

2）轉動產生加速度的變化。在繞管式換熱器內部不同高度的區域的橫搖轉動半徑是不同的，導致橫搖運動產生的轉動速度和轉動加速度在不同高度工況下是變化的。

1.2控制方程

針對降膜蒸發模型可建立如下的基本控制方程。

氣相和液相的連續性方程分別為：

動量方程為：

能量方程為：

式中：

αv——氣相體積分數；

α1——氣相體積分數；

Sm——質量源項；

Fσ——表面張力源項；

?·( k?T )——表面張力源項；

Q——潛熱源項。

1.3N-S方程各源項計算

1）表面張力源項Fσ

式中：

σ——表面張力系數。

2）傳質源項Sm

在有溫差的相界面：

在管外壁面的覆蓋液相且達到蒸發溫度的區域：

式中：

coeff——傳質松弛因子；

Tsat——飽和溫度，K；

Tv——氣相溫度，K；

T1——液相溫度，K；

q——熱流密度，kW/m2；

A——傳熱面積，m2；

hfg——氣化潛熱，kJ/kg。

3）潛熱傳熱源項Q

式中：

式中：

T——晃蕩運動的周期，s；

t——動態工況當前時間，s；

θmax——角度幅值，°；

A——平移幅值，°；

R——轉動半徑，m。

對以上各個模型進行綜合，可以實現晃蕩工況下降膜流動傳熱傳質過程的數學描述。

1.4模型求解

本文基于軟件ANSYS中的FLUENT進行流動模擬。采用VOF模型作為模擬兩相流模型，連續表面張力模型（CSF）作為模擬表面張力模型，從而實現對降膜流動液膜分布的模擬。同時通過FLUENT的用戶自定義方程（UDFs）分別建立針對壁面及非壁面的傳質模型，以實現通過對網格類型的判斷采用不同方式計算傳質質量，從而實現氣泡生成、長大的模擬。采用VOF-CSF模型作為管壁表面的接觸角模型。在高干度情況下，氣相流速較大，此時需采用標準k-ω作為湍流模型。

2　模型實驗驗證

為了驗證建立的降膜流動模型正確性，通過與已有的繞管式換熱器穩態實驗的實驗數據進行對比，實驗臺測量換熱系數的誤差為15%以內。在實驗運行工質為丙烷、質流密度為40 kg/m2s時，熱流密度為4,000 W/m2，測得的換熱系數與模擬數據的對比如圖2所示。數值模擬的結果與實驗結果的平均誤差為13.1%。

圖2　換熱系數隨干度變化趨勢

3　結果分析

3.1不同幅度橫搖工況對傳熱性能的影響

圖3為干度0.05時不同橫搖幅度工況下換熱系數的對比。橫搖頻率為0.1667，橫搖轉動半徑為0.95 m。在一個周期內，橫搖角度較小的工況都沒有出現明顯的換熱系數下降的情況，而當橫搖角度達到了9°時，1/4和3/4周期處的換熱系數都出現了劇降的凹陷，即均出現了單側管壁表面沒有液膜的情況，下降幅度約27%左右?？赡艿脑驗?，在相同液相流量的情況下，液膜偏離平衡位置產生干區所需的極限橫搖加速度相同，在橫搖頻率不變的情況下，橫搖角度不同造成了橫搖的最大加速度不同，當最大加速度達到這一極限值時，出現換熱系數下降的情形。

圖3　不同橫搖幅度工況下換熱系數對比

3.2不同頻率橫搖工況對傳熱性能的影響

圖4為干度0.05時不同橫搖頻率工況下換熱系數的對比。橫搖角度6°，橫搖轉動半徑為0.95 m。由于不同橫搖頻率周期不同，橫坐標為周期長度，方便在一個周期進行對比。隨著橫搖頻率減小，橫搖周期變長，換熱系數在橫搖周期內的變化減弱，且波動幅度減小，在1/4周期和3/4周期處出現了換熱系數最大的點。由于未達到液膜脫離臨界的橫搖加速度，無干區出現，晃蕩對傳熱起到了一定的強化作用。

圖4　不同橫搖頻率下的換熱系數對比（干度0.05）

3.3相同橫搖工況下干度對傳熱性能的影響

圖5為不同干度在相同橫搖頻率工況下換熱系數對比。橫搖角度為3°，橫搖頻率0.1667。干度為0.05工況與無橫搖的穩定工況進行對比，換熱系數與穩定工況相同，雖然在波動，但維持在一定范圍內不變，且有一定的強化作用。

圖5　橫搖角度為3°與無橫搖工況換熱系數對比

干度為0.2工況相對于干度0.05的工況，穩定工況的換熱系數有所提升，盡管高度位置更低，轉動半徑減小，橫搖速度和橫搖加速度都有所降低，但在橫搖角度較小的情況下就出現了明顯的換熱系數下降的情況?？赡艿脑蚍治鋈缦拢弘S著干度升高，液相體積分數減小，液膜更薄，氣泡產生的波動更加明顯，使得受到橫搖的影響加劇。

干度為0.5工況相對于干度0.2的工況，換熱系數又有所下降，和0.05的工況接近，受橫搖影響不明顯，相對穩定工況傳熱也有一定的強化。原因為：隨干度增加，液膜變薄，液體完全覆蓋管壁的機會減小，造成穩定工況干區出現幾率增大；同時轉動半徑較小，產生的橫搖速度和橫搖加速度較小，橫搖運動提升了氣流中夾雜的液滴碰撞管壁的幾率。

4　結論

1）建立了橫搖工況下繞管式換熱器殼側降膜流動的數值模擬模型，換熱系數89%的模型計算結果與實驗值的平均誤差為13.1%。

2）在0.05干度下，小角度橫搖對傳熱性能幾乎沒有影響；隨橫搖角度增大，傳熱性能下降明顯，橫搖角度為9°時下降27%；橫搖頻率較低時橫搖對傳熱有少許強化作用。

3）在顯示橫搖角度為3°，橫搖頻率0.1667時，0.2干度工況由于液膜較薄，更容易被晃蕩所影響而產生傳熱下降，傳熱性能下降約11%，0.05干度和0.5干度工況下橫搖有約2%～3%的強化。

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Analysis of Influence of Rolling on Heat Transfer Characteristics of Two-phase Falling Film Flow of Refrigerant outside Horizontal Tubes

LI Jian-rui1,CHEN Jie2,PU Hui2,LI En-dao2,DING Guo-liang*1,HU Hai-tao1,ZHUANG Da-wei1
(1-School of Mechanical Engineering,Shanghai Jiao Tong University,Shanghai 200240,China；2-R&D Center,CNOOC Gas & Power Group,Beijing 100028,China)

To avoid the performance decrease of coil-wound heater exchanger under offshore conditions,the falling film evaporation process outside the tubes is simulated under different rolling conditions,and the influence of rolling angle and frequency on heat transfer characteristics is analyzed. The results show that,the heat transfer coefficient is decreased by 27% when the rolling angle is 9° and the vapor quality is 0.05； the heat transfer characteristic is slightly enhanced when the rolling frequency is low； it is more sensitive for the rolling influence when vapor quality is 0.2,and the heat transfer coefficient is decreased by 11% when the rolling angle is 3°.

Outside tubes； Two-phase flow； Falling film； Numerical model； Rolling

10.3969/j.issn.2095-4468.2016.05.104

*丁國良（1966-），男，教授。研究方向：制冷空調裝置的仿真與優化、液化天然氣系統優化技術。聯系地址：上海交大機械與動力工程學院A樓424室，郵編：200240。聯系電話：021-34206378。E-mail：glding@sjtu.edu.cn。

國家高技術研究發展計劃資助（No.2013AA09A216）。