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【论文精选】晃动对LNG板翅式换热器性能影响模拟分析

发布时间:2019-09-06 01:12 编辑: 来源:

作者:李秋英,陈杰,尹全森

第一作者单位:中海石油气电集团有限责任公司

摘自《煤气与热力》2017年2月刊


1   概述

天然气液化过程中,采用的关键设备之一是换热器1。铝制板翅式换热器结构紧凑轻巧,传热效率高,适应性强,可同时进行多种介质换热,且具有良好的低温性能,目前已规模化应用于中小型天然气液化工厂2-3

 

目前使用的板翅式换热器结构无论是天然气和热流制冷剂还是冷流制冷剂,都被封闭于换热器芯体内部,当换热器处于晃动工况时,该结构对于天然气和热流制冷剂的流体均布性能影响相对较小,但对于冷流制冷剂,由于其流动过程中处于气、液两相状态,其中液相对晃动工况较为敏感,导致其在板翅流道内均布性能明显降低。为使板翅式换热器更好地应用于海上天然气液化领域,需要对板翅式换热器结构进行优化设计,使其处于晃动工况时仍能保持较高的换热器效率4-5

2   换热结构优化设计

目前使用的板翅式换热器芯体结构见图1,图中,AB是热流体,为天然气和需要被冷却的混合制冷剂,后者称为热流制冷剂;C是冷流体,为提供冷量的制冷剂,称为冷流制冷剂。运行过程中,天然气和热流制冷剂从换热器芯体上部自上而下流动,而冷流制冷剂从换热器芯体底部自下而上返流为天然气和热流制冷剂提供冷量6-7。该结构的换热器无论是天然气和热流制冷剂还是冷流制冷剂,都被封闭于换热器芯体内部,由于冷流制冷剂在换热过程中吸热发生相变,为两相流体,流动过程中存在气液两相夹带不均匀现象,严重影响流道内各种介质间的换热8-9。且工况改变时容易导致气相难以夹带液相,致使换热器底部积液,影响设备正常运行10-11。特别是当换热器处于晃动工况时,冷流制冷剂中液相对晃动工况较为敏感,导致其在板翅流道内均布性能明显降低。因此,对现有板翅式换热器结构进行优化设计。优化后的板翅式换热器芯体结构见图2。自上而下流动的介质AB代表天然气和热流制冷剂,C代表冷流制冷剂,充满整个板翅式换热器芯体及制冷剂流道内,与介质AB换热。优化后的换热器结构中天然气和热流制冷剂的流动方式与现有结构相同,自上而下流经封闭的板翅式换热器芯体;冷流制冷剂盛装于外部壳体,去掉了冷流制冷剂通道的封头,壳体上开有制冷剂入口,直接通过上游管道向壳体内充装制冷剂,保证每个换热器芯体内制冷剂液面相同。冷流制冷剂采用单一组分的烃类,该结构使液相制冷剂液位比较高,而且换热器的上下封头结构已去掉,外部制冷剂与换热介质流道内制冷剂形成一个连通器,换热器倾斜时,液面的波动较小,对制冷剂的均布性能影响也较小,该结构有效避免了现有板翅式换热器结构由晃动工况导致的流体分布不均匀的现象。

图1   板翅式换热器结构

 

1.接管 2.封头 3.导流翅片 4.传热翅片 5.隔板 6.封条 7.侧板

 

2   优化后的板翅式换热器芯体结构

3   模型建立

3.1  数学模型

 

数学模型包括动量方程、能量方程和连续性方程。湍流采用RNG k-ε模型模拟,层流采用Laminar模型模拟。

 

垂荡的表达式为:


 

3.2  物理模型

 

为了对板翅式换热器芯体内部介质换热性能进行模拟计算,需对板翅式换热器流道建立模型。板翅式换热器流道的换热器单元模型见图3,建模过程中对换热器单元建立坐标系,该单元模型宽1.6 mm,高6.3 mm,长200 mm,模型原点设置在换热器单元左下角,宽度方向为x轴,高度方向为y轴,长度方向为z轴。换热器单元模型借助ANSYS ICEM软件进行非结构化网格划分,见图4,网格的数量为30×104

 

3   换热器单元模型


4   换热器单元网格划分

 

本文计算天然气与外部制冷剂间的换热,外部制冷剂介质为丙烷,天然气的组成见表1,物性参数见表2,丙烷的物性参数见表3

 

1   天然气组成


2   天然气物性参数

 

3   丙烷物性参数

 

换热单元入口采用速度入口边界条件,入口流速为3 m/s,天然气处于湍流状态,丙烷处于层流状态,出口采用压力出口,压力设置为3.8 MPa,换热单元的左右壁面为绝热壁面边界,上下两侧采用UDF编程定义上下壁面的温度及对流传热系数条件,模拟天然气与丙烷之间的热交换。

 

根据所建立的换热器单元模型、介质物性参数,借助ANSYS FLUENT软件对板翅式换热器换热性能进行模拟。本文模拟的晃动为沿y方向的垂荡运动,垂荡周期为10 s,幅度为1 m。模拟垂荡工况时,采用UDF编程嵌入的方式加载垂荡工况。

 

4   模拟结果及分析

 

由于天然气侧和丙烷侧的板翅流道结构相同,所以两种介质的换热器单元模型也相同,本文选择y=0平面进行分析,基于所建立的换热单元模型,分别分析流动介质为天然气和丙烷时的换热性能。

4.1  天然气侧

 

换热27.5 s时,天然气侧的壁面温度分布见图5。由图5可知,相比于静止工况,垂荡工况天然气侧的壁面温度并未明显变化,这是因为所在换热器芯体的最上部的换热器单元,天然气在换热过程中并未发生相变,整个过程为气相状态,垂荡工况对换热器性能影响并不明显。27.5 s时天然气侧的壁面压力见图6,图6中压力以设置压力3.8 MPa为基准,即高出3.8 MPa的部分。此时刻垂荡工况的压力降大于静止工况下的压力降,可见垂荡对压力降有影响。经计算每周期该换热器单元的平均压力降为315 Pa,比静止工况增加了2.9%

 

图5   27.5 s时天然气侧的壁面温度


图6   27.5 s时天然气侧的壁面压力

 

4.2  制冷剂侧

 

静止工况和垂荡工况下,27.5 s时丙烷制冷剂侧的壁面温度变化见图7。由图7可知,垂荡工况丙烷制冷剂的温度几乎没有发生变化,与静止工况相同。


图7   27.5 s时制冷剂侧的壁面温度


初始时刻和27.5 s时气相分数分布分别见图8和图9,同一时刻垂荡工况下丙烷的平均气相分数为5.27%,比静止工况下降低不足1%。由此看出垂荡幅度为1 m,周期为10 s的工况对丙烷的换热影响较小。


8   初始时刻丙烷气相分数

 

9   27.5 s时丙烷气相分数

 

5   结论

 

对常规板翅式换热器结构进行了优化设计,使其在晃动条件下具有较好的适用性。采用ANSYS FLUENT软件对其换热器性能进行了模拟计算,结果显示,在垂荡工况下,板翅式换热器流道内冷流介质与热流介质换热性能稳定,说明所优化的板翅式换热器结构在大型及浮式天然气液化领域具有较好的应用潜力。


参考文献:


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