倾斜状态下板翅式换热器封头工质分配特性的实验研究

朱建鲁 季 鹏 李玉星 王武昌 高 嵩

(中国石油大学(华东)储运与建筑工程学院 青岛 266580)

板翅式换热器(PFHE, Plate Fin Heat Exchangers)由于其结构紧凑、质量小、效率高和制冷剂易于填充等特点，广泛应用于空气分离、石油化工，航空航天等领域。国内外学者针对板翅式换热器封头结构的工质分配进行了深入的研究， Ranganayakulu C H[1]研究了板翅式换热器内部物流和温度的分布，发现工质分配的不均匀性是引起换热器效能下降的主要因素；张哲[2]建立了板翅式换热器封头结构的湍流数学模型，通过模拟计算发现封头内部工质分配存在严重的不均匀性，在此基础上提出了改进型封头结构；文键[3]利用粒子图像测速仪(PIV)，对板翅式换热器封头结构改进前、后的流场进行了可视化实验研究，结果表明加入打孔挡板后封头结构流场的均匀性得到很大改善； Mayuekumar S.[4]对板翅式换热器封头结构的物流分布进行了较为全面的研究，分析了结构尺寸改变引起的分配特性的变化，结果表明封头结构会导致工质分配不均，出口流道的尺寸以及相对入口管的位置对工质分配有显著影响。目前针对封头结构工质分配特性和结构改进的研究都局限于平稳状态下，然而海上平台受到海浪的作用会发生晃动和倾斜，从而影响板翅式换热器的封头工质分配，对整个液化装置运行的稳定性和安全性产生不利影响，因此倾斜状态下板翅式换热器封头工质分配特性的研究显得尤为迫切。

关键设备中流体晃荡特性的敏感性研究主要有数值模拟和实验研究两种方法。Kim[5]对两维和三维的液体容器中的晃动流动利用有限差分方法进行了模拟；陈海阳等[6]基于 VOF 模型模拟二维 SPB 型液舱内储液的晃动特性，并利用实验数据对模型的计算结果进行了验证；Akildiz 等[7]对纵摇水箱进行了晃荡液体压力分布的实验研究；顾妍[8]编写了管道摇摆运动函数的 UDF 程序，采用动网格模型，模拟摇摆运动频率、角度和流动速度对低温管道内液体传输特性主要是压力的影响，研究 FPSO 平台运动对低温液体输送系统的影响；Thomas Lex等[9]建立了两套实验装置对绕管式换热器(SWHE, Spiral Wound LNG Heat Exchangers) 不同倾斜角下液体分布的不均匀性以及晃荡工况下的换热性能分别进行了研究，结果表明气相含量越大流体分配均匀性提高，温度分布随晃荡呈周期性的变化；Cullinane等[10]对有关浮式装置上填料塔性能受晃动影响的研究进行了综述，指出影响塔效率的主要因素是分离过程的平衡程度。国内外的相关研究主要集中在液舱晃荡特性以及塔器、分离器对晃荡的敏感性，关于恶劣工况(晃动/倾斜)下板翅式换热器封头工质分配特性的研究较少。

在中国石油大学(华东)油气储运工程综合实验室，搭建了空气—水两相流工质分配实验装置。通过水平和倾斜状态下封头结构的单相流(空气/水)、气液两相流工质分配的实验，来研究倾斜状态下气液比和倾斜角对封头工质分配的影响，并与水平工况进行对比，得到倾斜对封头性能的影响程度，从而为晃荡对板翅式换热器性能影响的研究提供依据。

1 实验系统

实验系统主要由空气系统、水路系统、封头结构以及分离测量系统四个部分组成。实验流程如图1所示，空气经压缩机压缩后储存在空气缓冲罐中，实验时开启空气缓冲罐出口控制阀，空气依次经气体流量计和整流器后流入封头结构，通过管路阀门调节流量；水池中的水经离心泵加压，依次经过过滤器、液体流量计、流量调节阀和整流器后流入封头结构，通过水泵回流管线上的阀门调节流量；气/液混合后，经整流器消除紊流后进入封头结构，流体被分配至不同通道中；切换三通阀使得进入各通道的流体进入缓冲罐或测量分离器中进行测量，空气经测量分离器顶部的气体流量计计量后放空，水通过分离器液位的累计计量或经分离器底部的液体流量计进行瞬时流量计量。

图1 实验装置示意图

板翅式换热器封头结构由入口管、半圆柱和出口通道三部分组成，几何结构如图2所示，入口管直径50 mm、高300 mm，半圆柱长400 mm、半径50 mm，出口由18个对称分布的长方体通道组成，尺寸为150 mm×100 mm×6.35 mm。实验中管路系统直径为20 mm，三通阀直径为8 mm，为了减小流动阻力，在封头的入口和出口分别加工和安装了20/50和8/100的锥形变径。

图2 实验封头和切换计量结构

实验介质为水和空气，工况参数范围：空气流量0～12 N m3/h，气体压力0～0.5 MPa，水流量0.8～6 m3/h，水路压力0～0.3 MPa，室温15～30 ℃，水温15～30 ℃。由于实验工况下封头出口单个流道的流量偏低，流量计无法准确的进行单个流道的测量，因此采用分组测量的方法，即同时测量相邻或对称若干流道的流量值而后取平均。由于压缩机、水泵的出口压力和流量不能保持完全稳定，分离测量系统中手动调节阀的开度存在人为误差，因此入口条件和阻力特性的误差会导致实验数据的系统性偏差。

实验测量系统主要包括：气相入口/出口流量、液相入口/出口流量、入口压力、封头内部压力、缓冲罐压力、分离器压力。其中液相入口流量测量采用涡轮流量计，精度为1.0%；液相出口流量采用浮子流量计，精度为1.5%；气相流量测量均采用浮子流量计，精度为1.5%；防震压力表测量压力，精度为2.5%。

2 水平状态下下封头工质分配特性

为了比较不同通道的工质分配情况，采用流量比例描述通道流量分配情况，即流道的出口流量占该时刻入口总流量的百分比，全部流道流量比例之和为100%。流量比例用Dk,i表示，Dk,i越小通道分配所得流量越小，反之越大。

(1)

式中：当k为l时表示液相，当k为g时表示气相；i表示封头出口通道编号。

为使得封头的工质分配情况具有可比性，引入标准方差指标，可以反映不同工况下封头出口通道的不均匀性，用STDk(standard deviation)表示，其数值越小代表出口通道的气液分布越均匀，反之，则表明分布不均，其中实验封头结构N=18。

(2)

2.1 纯水工质分配实验

进行纯水实验时，管路压力稳定后，调节入口流量依次为3.7 m3/h、3.0 m3/h、2.4 m3/h和1.6 m3/h，雷诺数变化范围1.13×104～2.61×104，研究不同雷诺数下封头工质分配情况。

如图3所示，纯水工况下封头工质分配很不均匀，流道的流量分布呈现中间高两端低的规律，流体进入封头后直接冲刷封头端面，一部分从中部四个流道(8#、9#、10#、11#)直接流出，另一部分无法直接流出则形成涡流向两端流动，距封头端面中心越远，流体速度越小流道流量也越低。封头工质分配的STD值随雷诺数的增加而增大，这是由于随着雷诺数的提高，进入封头的流体的流速越大，8#、9#、10#、11#四个流道的流量比例越大，经两侧流道流出的流量减小，工质分配越不均匀，雷诺数最低为11270时STD值仅0.475，当雷诺数增大到26060时STD值约0.725，封头工质分配的不均匀性加剧。

2.2 纯气工质分配实验

实验封头和缓冲罐均由有机玻璃材料制成，承压低，为保证安全空气流量不宜过大，并且缓冲罐出口应与大气相通。实验过程中空气流量从高向低进行调节，依次进行流量为10 Nm3/h、8 Nm3/h、6 Nm3/h和2 Nm3/h的实验，雷诺数变化范围为970～4845，研究不同雷诺数下封头工质分配情况。

图3 纯水工况下封头工质分配特性

如图4所示，纯气和纯水工况下封头工质分配规律以及流量标准方差变化情况一致，流道的流量比例中间高两端低，STD值随入流空气雷诺数的增加而增大，说明雷诺数越大工质分配越不均匀；8#、9#、10#、11#四个流道的流量比例在7%左右，但封头两侧的其他流道的流量比均在5.25%左右，这是由于两侧流道的流量取决于半圆柱结构内部与流道出口的压力差，气体的可压缩性导致半圆柱结构内部的压力保持一致，因此封头两侧14个流道的流量基本相同。

图4 纯气工况下封头工质分配特性

2.3 气液两相工质分配实验

实际生产过程中的板翅式换热器中两相流居多，特别是混合制冷剂液化工艺和级联式液化工艺，因此气液两相流工况下的封头工质分配特性实验是本文研究的重点。实验中依次调节空气和水的流量，得到表1中的实验工况，分别研究不同工况下液相和气相的分配规律。

表1 水平状态下气液两相实验工况

如图5所示，气液两相流工况下液相工质分配规律与纯水工况下保持一致，流道的流量比例中间高两端低，由于气体可压缩性的影响，相邻区域的流道流量比例差异较纯液工况小；随着入口流量气液体积比由1.1增大到10.2，封头液相工质分配的STD从1.2上升到1.5，比相同流量范围的纯水工况STD值大，说明气体的加入干扰了原液相流场，气相流量越大工质分配越不均匀，虽然气液比增大的同时液相流量减少，但是气液两相流型随着气液比的增大由气泡流、段塞流发展到弥散流，液相不能连续分配，并且气体提高了系统的压力，加速了两相流动速度，使得流场趋于复杂紊乱，因此液相不均匀度增大。

图5 气液两相下封头液相工质分配特性

图6 气液两相下封头气相工质分配特性

如图6所示，气液两相流中气相工质分配的规律与液相工质分配规律截然相反，流道的流量比例中间低两端高，气液比较大的情况下，除中间四个流道外，距端面中心越远，流量比例越小，在气液比较小的情况下，距端面中心越远，流量比例越大，但最外侧流道流量减小，这是由于水的密度大、惯性大，从而具有更大的动能从中间流道顺利流出，相反由于空气密度小并且可压缩，中间流道被水充满后压力上升，除小部分气泡被液相带走外，大部分空气被迫从两侧的流道流出，且气液比越小，此现象越明显；气液比从1.1上升至10.2，STD值从1.4增大至2.2，可见液相的加入严重扰乱了气体的分配，主要原因是液相的排挤，以及两相流动时，气液比越大，系统压力越高，气相流速越大，分配越不均匀。

3 倾斜状态下封头工质分配特性

实际生产中海上平台受海浪的作用会发生晃动与倾斜，从而影响设备的工作性能，本节通过实验的方法从不同气液比和不同倾斜角两个角度研究封头的两相工质分配特性，为封头的改进与安装提供依据。如图7所示，将封头结构安装于倾斜实验平台上，调整至一定角度固定后开展实验，图中流道从左至右编号依次为1#至18#，编号越大代表倾斜后位置越低。

图7 倾斜状态下的封头结构

3.1 倾斜状态下纯水分配实验

1)不同雷诺数对比实验

将封头结构倾斜至20.12°，保持倾斜角不变，通过入口阀调节水的流量，得到四组实验的入口流量，分别为3.74 m3/h、2.93 m3/h、2.00 m3/h和1.00 m3/h，对应的雷诺数依次为26342、20636、14086和7043，研究不同雷诺数下倾斜封头的工质分配特性。

通过图8可看出，倾斜改变了纯水在封头中的工质分配规律，由于重力作用，对称的流道位置较低的一侧流量比例较大，同时保留了中间四个流道的流量较周围流道流量大的趋势，但已被最低端的流道超过，说明重力作用效果已超过了惯性力的作用效果，最高端流道流体受重力与惯性力的双重作用，流量明显减少；雷诺数相同时，倾斜状态下的STD值明显大于水平状态下的STD值，说明重力作用严重影响了纯水在封头中的工质分配，使其不均匀性加剧，但倾斜与水平状态下两条曲线几乎平行，说明惯性力对工质分配的影响受重力作用影响不大。

图8 倾斜状态下流量对纯水工质分配特性的影响

2)不同倾斜角对比实验

调节入口流量稳定在2.93 m3/h，实验中将封头结构依次倾斜至6.43°、13.53°和20.12°，测量不同倾斜角时封头不同流道的流量值，研究倾斜角对纯水工质分配的影响。

图9 倾斜状态下倾斜角对纯水工质分配特性的影响

通过图9可看出，倾斜角度越大，低处通道流量比例越大，高处通道的流量比例越小，中间流道的流量优势仍然存在，但与水平状态相比优势程度降低很多，这是因为重力作用逐渐增强，代替了惯性力作用的主导地位；随着倾斜角度的增大，重力作用不断加强，倾斜角由0°增加到20.12°，封头工质分配的STD值由0.61线性增加到1.07，说明倾斜角度越大纯水工况下封头工质分配越不均匀。因此，封头固定或换热器安装时应严格保证其水平状态。

3.2 倾斜状态下气液两相分配实验

在进行倾斜状态下纯气工质分配实验时，发现测量结果与水平状态下完全一致，而且不同倾斜角度下通道流量没有明显变化，倾斜对纯气工况下封头工质分配的影响几乎没有，这是因为气体密度小可压缩，导致重力作用不明显。实际生产过程中的板翅式换热器中两相流居多，进行倾斜状态下的气液两相流分配实验，研究不同气液比和不同倾斜角对分配特性的影响尤为重要。

1)不同气液比对比实验

实验中将封头结构倾斜至20.12°并固定，倾斜方向与纯水工况倾斜方向一致，通过流量调节阀控制入口气液的流量，得到表2中的实验工况，研究不同气液体积比下倾斜封头的工质分配特性。

表2 倾斜状态下气液两相实验工况

如图10所示，倾斜状态下两相流工况中液相分配规律与纯水工况分配规律一致，位置较低一侧流道的流量比例较大，中间流道保持流量优势，并且随着气液比的增加，低处通道的液相流量比例增加，高处通道的液相流量比例减少，气液比为7.0时，1#-4#通道液相流量为零，而气液比为10.0时，1#-7#通道没有液相流量，说明气相流量的增加以及重力作用的共同影响，使得高处气相压力升高，从而导致低处流道的液相流量增加，高处流道的液相流量减小；相同气液比工况下倾斜状态的STD值明显大于水平状态的STD值，气液比越大，二者的STD差值越大，说明重力作用不仅加剧了液相分配的不均匀性，而且加强了气液比对液相分配的影响。

图11 倾斜状态下气液比对两相流中气相工质分配特性的影响

如图11所示，倾斜状态下，液相集中在低处，中部为气液两相，高处为纯气相，因此15#-18#流道气相流量均为零，流道位置越高气相流量比例越大，中间流道的流量优势消失， 1#流道距入口管过远流量比例有所下降；随着气液比的增大，8#-14#流道的气相流量比例不断减小，而1#-7#流道气相流量比例不断增加，与液相变化规律相反；气液比相同，倾斜状态下的STD明显高于水平状态下的STD，但是气相密度小可压缩，重力作用影响小，二者的STD差值没有随着气液比的增加而扩大，说明倾斜加剧了气相的分配不均匀性，但没有加强气液比对气相分配的影响。

2)不同倾斜角对比实验

控制气液流量使其稳定在工况6的条件下，实验过程中将封头结构依次倾斜至6.43°、13.53°和20.12°，测出不同倾斜角下封头不同流道的流量，研究倾斜角对工质分配特性的影响。

通过图12可看出，倾斜导致低处流道的液相流量大于水平状态下的流量，高处流道液相流量则低于水平状态下的流量，且随着倾斜角的增大，重力作用越显著，低处流道的液相流量不断增大，高处流道的液相流量不断减小；倾斜角由0°增加至20.12°，封头工质分配的STDl由1.3线性增加到3.9，说明倾斜角越大封头液相工质分配越不均匀。

图12 倾斜状态下倾斜角对两相流中液相工质分配特性的影响

图13 倾斜状态下倾斜角对两相流中气相工质分配特性的影响

如图13所示，倾斜导致高处流道的气相流量大于水平状态下的流量，低处流道的气相流量则低于水平状态下的流量，随着倾斜角的增大，低处流道气相流量减小而高处流道的流量增加；倾斜角由0°增加至20.12°，封头工质分配的STDg由1.75增加到5.23，倾斜角越大封头气相工质分配越不均匀，说明重力作用的增强使得封头气相工质分配的不均匀性加剧。

4 结论

通过空气—水两相工质分配实验系统，分别进行封头结构水平状态和倾斜状态下的单相(空气/水)以及气液两相工质分配实验，获得不同实验工况下的封头工质分配特性，研究倾斜对封头工质分配的影响，从而为晃荡对板翅式换热器性能影响的研究提供依据，得到以下结论：

1)造成水平状态下单相工质分配不均匀的主要因素是惯性力的作用，流道的流量均呈现中间高两端低的规律，雷诺数增大，惯性力作用增强，不均匀性加剧，气液两相流分配时液相与气相相互影响，中间通道被液相占据，气相被迫从两侧的通道流出，工质分配更加不均匀，气液比增加，相互影响程度加深，分配不均匀性加剧；

2)倾斜状态下的工质分配受到惯性力和重力的共同作用，气相的密度远小于液相，其所受重力作用小，因此倾斜对气相的工质分配几乎没有影响，而液相工质分配的均匀程度显著低于水平状态，雷诺数或气液比的增加会导致惯性力的增强，倾斜角的增大则会造成重力作用的显著提高，二者均会导致工质分配不均匀性的加剧；

3)倾斜状态下，惯性力与重力作用相互影响，重力作用会增强惯性力作用的效果，导致工质分配不均匀性的显著提高，因此在固定封头或安装换热器时应严格保证其水平/垂直状态，工艺设计时可在混合冷剂节流后增加分离器，只有液相进入换热器换热，气相返回压缩机增压，使液相充满封头，减小倾斜的影响，或者在换热器设计时，采用“先分配、后混合”的方法[11]，气液分别进入分配器混合后，再进入板翅式换热器进行换热，可以有效改善倾斜状态下工质分配效果。

符号说明

mk,i——第i通道中第k相质量流量，kg/s

Σmk,i——全部通道第k相质量流量，kg/s

Dk,i——第i通道第k相的流量比例，%

STDk，STDl，STDg——k相、液相、气相的标准方差

下标

k，l，g——k代表相态，其中当k为l时代表液相，为g时代表气相

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