横摇对水平管外制冷剂两相降膜流动换热特性的影响分析

李剑锐，陈杰，浦晖，李恩道，丁国良*，胡海涛，庄大伟

（1-上海交通大学，上海 200240；2-中海石油气电集团技术研发中心，北京 100028）

横摇对水平管外制冷剂两相降膜流动换热特性的影响分析

李剑锐1，陈杰2，浦晖2，李恩道2，丁国良*1，胡海涛1，庄大伟1

（1-上海交通大学，上海 200240；2-中海石油气电集团技术研发中心，北京 100028）

为了避免海上复杂工况下绕管式换热器的性能下降，本文进行了不同横摇工况下的管外降膜蒸发过程的模拟，分析了横摇幅度和横摇频率对传热性能的影响。结果显示：在0.05干度下，横摇幅度达到9°时传热性能会下降，降幅27%；较低频率的横摇工况对传热性能影响有微弱强化；相同条件下，干度0.2工况的换热性能更容易受到横摇影响，横摇幅度为3°的工况下，传热性能下降11%。

管外；两相流；降膜；数值模拟；横摇

0　引言

绕管式换热器具有结构紧凑、适用地域广、工况范围大的特点[1-5]，在天然气液化中得到广泛应用。海上浮式气田FLNG（Floating Liquefied Natural Gas）成为海洋液化天然气LNG（Liquefied Natural Gas）开发中较好的解决方案[6]，绕管式换热器作为主要换热器，不可避免地受到海上复杂工况的影响，从而影响FLNG整体产液率[7-9]。绕管换热器壳侧结构复杂，传热和压降损失都较大[10-14]，因此对绕管换热器壳侧性能的研究十分重要。

由于绕管式换热器内部壳侧包含气液两相，为管外降膜流动，而针对壳侧数值模拟研究也较少，仅LU等[15]对卧式绕管式换热器进行单相空气流模拟，难以满足壳侧多相降膜流动的要求。因此需要开发绕管换热器壳侧降膜流动的数值模型。

目前已有关于管外降膜流动的数值模拟研究[16-20]。针对模拟模型的选择，KILLION等[16]对比了管外的溴化锂液滴流动过程的模拟结果与实验结果。针对液膜流动的偏移，雷贤良等[17]采用VOF方法建立降膜流动模型，分析横向气流对液膜流动偏移的影响。针对管外液膜厚度的分布，王小飞等[18]采用VOF模型进行了不同结构的降膜蒸发器对液膜厚度的影响。邱庆刚等[19]通过降膜流动模拟，分析了喷洒密度、管的尺寸对管壁上薄膜厚度的影响因素。尽管现有的降膜流动模拟研究已有很多，但是大都以降膜蒸发器为背景，集中在研究液膜的流动和液膜分布方面，流型研究也在低Re数的范围内，几乎没有关于多相流传质的模拟研究。

对于海上工况而言，在稳定的情况下可视为6个自由度下的周期性运动耦合而成[7,9]，由于横摇运动是最为典型的海上工况[7]，本文选择横摇工况进行绕管换热器的性能研究。

1　数值模型

1.1模型对象描述

绕管式换热器内部结构如图1所示，管侧下进上出，沿途发生天然气液化过程；管外壳侧，上进下出，沿途为制冷剂蒸发过程[7,11]。制冷剂壳侧的汽化相变过程属于流动沸腾过程[10]。流入的制冷剂处于两相饱和状态，与管壁接触的液相和气相部分发生不同的传热过程。

图1　绕管式换热器壳侧流型示意图

制冷剂壳侧的气液相间的存在相互作用分为如下3种：1）气泡的形成、并在液相流动作用下的脱离过程；2）气泡聚集变大，突破液膜进入气相的过程；3）气相膨胀流速增加，对液相的剪切和推动过程。

横摇运动对壳侧流体流动的影响主要有以下两方面[16]。

1）不同横摇位置造成重力方向的变化。绕管式换热器为立式放置，转动至不同位置时，换热器内部轴心偏离垂直方向。此时下一根管道不在垂直下方，液膜垂直流下时流动方向并未正对着下方管道，造成液膜流动过程的偏离。

2）转动产生加速度的变化。在绕管式换热器内部不同高度的区域的横摇转动半径是不同的，导致横摇运动产生的转动速度和转动加速度在不同高度工况下是变化的。

1.2控制方程

针对降膜蒸发模型可建立如下的基本控制方程。

气相和液相的连续性方程分别为：

动量方程为：

能量方程为：

式中：

αv——气相体积分数；

α1——气相体积分数；

Sm——质量源项；

Fσ——表面张力源项；

∇·( k∇T )——表面张力源项；

Q——潜热源项。

1.3N-S方程各源项计算

1）表面张力源项Fσ

式中：

σ——表面张力系数。

2）传质源项Sm

在有温差的相界面：

在管外壁面的覆盖液相且达到蒸发温度的区域：

式中：

coeff——传质松弛因子；

Tsat——饱和温度，K；

Tv——气相温度，K；

T1——液相温度，K；

q——热流密度，kW/m2；

A——传热面积，m2；

hfg——气化潜热，kJ/kg。

3）潜热传热源项Q

式中：

式中：

T——晃荡运动的周期，s；

t——动态工况当前时间，s；

θmax——角度幅值，°；

A——平移幅值，°；

R——转动半径，m。

对以上各个模型进行综合，可以实现晃荡工况下降膜流动传热传质过程的数学描述。

1.4模型求解

本文基于软件ANSYS中的FLUENT进行流动模拟。采用VOF模型作为模拟两相流模型，连续表面张力模型（CSF）作为模拟表面张力模型，从而实现对降膜流动液膜分布的模拟。同时通过FLUENT的用户自定义方程（UDFs）分别建立针对壁面及非壁面的传质模型，以实现通过对网格类型的判断采用不同方式计算传质质量，从而实现气泡生成、长大的模拟。采用VOF-CSF模型作为管壁表面的接触角模型。在高干度情况下，气相流速较大，此时需采用标准k-ω作为湍流模型。

2　模型实验验证

为了验证建立的降膜流动模型正确性，通过与已有的绕管式换热器稳态实验的实验数据进行对比，实验台测量换热系数的误差为15%以内。在实验运行工质为丙烷、质流密度为40 kg/m2s时，热流密度为4,000 W/m2，测得的换热系数与模拟数据的对比如图2所示。数值模拟的结果与实验结果的平均误差为13.1%。

图2　换热系数随干度变化趋势

3　结果分析

3.1不同幅度横摇工况对传热性能的影响

图3为干度0.05时不同横摇幅度工况下换热系数的对比。横摇频率为0.1667，横摇转动半径为0.95 m。在一个周期内，横摇角度较小的工况都没有出现明显的换热系数下降的情况，而当横摇角度达到了9°时，1/4和3/4周期处的换热系数都出现了剧降的凹陷，即均出现了单侧管壁表面没有液膜的情况，下降幅度约27%左右。可能的原因为，在相同液相流量的情况下，液膜偏离平衡位置产生干区所需的极限横摇加速度相同，在横摇频率不变的情况下，横摇角度不同造成了横摇的最大加速度不同，当最大加速度达到这一极限值时，出现换热系数下降的情形。

图3　不同横摇幅度工况下换热系数对比

3.2不同频率横摇工况对传热性能的影响

图4为干度0.05时不同横摇频率工况下换热系数的对比。横摇角度6°，横摇转动半径为0.95 m。由于不同横摇频率周期不同，横坐标为周期长度，方便在一个周期进行对比。随着横摇频率减小，横摇周期变长，换热系数在横摇周期内的变化减弱，且波动幅度减小，在1/4周期和3/4周期处出现了换热系数最大的点。由于未达到液膜脱离临界的横摇加速度，无干区出现，晃荡对传热起到了一定的强化作用。

图4　不同横摇频率下的换热系数对比（干度0.05）

3.3相同横摇工况下干度对传热性能的影响

图5为不同干度在相同横摇频率工况下换热系数对比。横摇角度为3°，横摇频率0.1667。干度为0.05工况与无横摇的稳定工况进行对比，换热系数与稳定工况相同，虽然在波动，但维持在一定范围内不变，且有一定的强化作用。

图5　横摇角度为3°与无横摇工况换热系数对比

干度为0.2工况相对于干度0.05的工况，稳定工况的换热系数有所提升，尽管高度位置更低，转动半径减小，横摇速度和横摇加速度都有所降低，但在横摇角度较小的情况下就出现了明显的换热系数下降的情况。可能的原因分析如下：随着干度升高，液相体积分数减小，液膜更薄，气泡产生的波动更加明显，使得受到横摇的影响加剧。

干度为0.5工况相对于干度0.2的工况，换热系数又有所下降，和0.05的工况接近，受横摇影响不明显，相对稳定工况传热也有一定的强化。原因为：随干度增加，液膜变薄，液体完全覆盖管壁的机会减小，造成稳定工况干区出现几率增大；同时转动半径较小，产生的横摇速度和横摇加速度较小，横摇运动提升了气流中夹杂的液滴碰撞管壁的几率。

4　结论

1）建立了横摇工况下绕管式换热器壳侧降膜流动的数值模拟模型，换热系数89%的模型计算结果与实验值的平均误差为13.1%。

2）在0.05干度下，小角度横摇对传热性能几乎没有影响；随横摇角度增大，传热性能下降明显，横摇角度为9°时下降27%；横摇频率较低时横摇对传热有少许强化作用。

3）在显示横摇角度为3°，横摇频率0.1667时，0.2干度工况由于液膜较薄，更容易被晃荡所影响而产生传热下降，传热性能下降约11%，0.05干度和0.5干度工况下横摇有约2%～3%的强化。

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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

*丁国良（1966-），男，教授。研究方向：制冷空调装置的仿真与优化、液化天然气系统优化技术。联系地址：上海交大机械与动力工程学院A楼424室，邮编：200240。联系电话：021-34206378。E-mail：glding@sjtu.edu.cn。

国家高技术研究发展计划资助（No.2013AA09A216）。