运行参数对绕管式换热器环形均布器均布性能影响模拟研究

Noé-Landry-Privace M’Bouana，，， ，，

(1.哈尔滨工业大学，黑龙江 哈尔滨 150090；2.中海石油气电集团有限责任公司，北京 100027)

0 引言

绕管式换热器具有承压性好、温降大、传热温差小、传热面积大、回流速度快、气液分配均匀与效率较高、维修方便等特点，因此被广泛应用于海上天然气的液化工艺流程中。绕管式换热器的入口处常设有均布器以将气液两相制冷剂均匀分配到缠绕管上，所以均布器的性能会影响壳侧气液两相制冷剂与缠绕管接触的均匀性，从而直接影响绕管式换热器的换热效率与天然气的液化效果[1-2]。

目前，国内外研究人员利用实验及模拟方法对换热器物流分配进行了大量的研究。刘家瑞等[3]对板壳式换热器进行数值模拟研究了其物流分配的特性，结果表明换热器存在严重的物流分配不均匀现象，降低了整体效能，而通过在入口设置封头及条纹板可以改善物流分配不均匀性。Lalot等[4]研究发现换热器内流体分配的不均匀度对换热器性能影响十分显著，而利用分配器可以有效改善换热器内流体分配的不均匀性，提高换热器效率。黄超进[5]通过实验研究发现，对于板翅式换热器的物流分配，在相同质量流率下单相气体均匀性最好，单相液体次之，两相气液流体不均匀性最严重。巫江虹等[6-7]通过研究指出即使入口处各相流体分布是均匀的，在换热器内部通道中，两相流流体分配也可能不均。Robertosn J.M等[8-9]研究发现，采用先将两相流体分离成气相与液相再重新混合后送入各通道时均匀性要好于传统两相流直接进入换热器各通道的均匀性。黄善仿等[10]通过理论分析发现在多通道中等干度分配过程的均匀性决定因素是流动的压降特性。鲁红亮等[11]回顾了近年来国内外对于平行流换热器中热流体分布均匀性的相关理论和实验研究，提出结构和运行工况是影响两相制冷剂在扁管中流量分配的重要因素。Junye Wang[12]在对近50年内的分支管流动分配的研究进行总结后发现已有理论大多从结构与运行工况方面对多分支管系统的流动分配进行优化。

Yan Li与Yuxing Li等[13]利用Fluent对板翅式换热器先均配再混合的两相流入口形式，进行了静止条件与晃动条件下的模拟证明了先均配再混合的入口形式均匀性更好，较原有结构有更好的晃动抗性。Schepper等[14]利用CFD软件FLUENT中的VOF模型对水平管内不同流型的两相流动进行模拟，证明利用Fluent的VOF模型可以对水平管内的两相流进行模拟。曾祥根等[15]对加氢反应器分配器的流场用Fluent中的标准k-ε模型进行了数值模拟，结果表明数值模拟可以较准确地模拟分配器的流场。

综合现有研究内容可知，国内外学者对流体的均匀分配进行了较多研究，提出对两相流先均配再混合的入口形式具有较好的均匀性。此外，结构与运行参数是影响均布器中冷剂流动均匀性的主要因素，而VOF模型可以较好地模拟两相流的分布情况。实际上，目前对绕管式换热器的流体分配均匀性研究不多，因此对绕管式换热器均布器均配特性进行进一步研究是十分有必要的。

本文选取了一种新型绕管式换热器均布结构——环形均布器结构，并采用数值模拟的方法分析运行参数对其均布特性的影响，为绕管式换热器设计提供参考。

1 计算模型

1.1 几何模型

经过文献调研，采用对两相流先均配再混合的设计思路设计了一种新型均布器结构：环形均布器。其整体结构如图1所示。环形均布器处在绕管式换热器的中间位置，气液两相制冷剂从上向下流过绕管式换热器，气液两相流在环形均布器中心桶上方重力分离，液相制冷剂经中心桶沿支管到环管并从环管上的小孔流出进入壳侧空间，气相从中心桶上方分离后，由中心桶外侧向下流动，从环管中间的流道流过，夹带从小孔中流出的液相一起到壳侧空间，与绕管芯体进行换热。环形均布器主要对液相进行均布，而气相在壳侧空间自由流动，可认为气相在壳侧空间为均匀状态，所以采用液相流体的分配均匀性表征环形均布器的均匀性。

图1 环形均布器整体结构示意图

如果对整个均布器进行数值模拟，模型结构比较复杂，网格数目多，计算难度大，因此考虑对数值模拟模型进行简化。由均布器的整体结构可以看出，支管将环形均布器均分为一个沿圆周周向对称的结构，相邻两个支管之间结构相同，流场流动相同，因此取两个支管之间部分进行模拟，代替整个模型，也可以得到与均布器内流场流动相似的效果，同时使建模工作简单化，网格数目大大减少，计算更加容易，实际操作中选取1/4模型结构进行模拟。

1.2 物理模型与网格

选取环形均布器的1/4模型建立几何模型，如图2所示，模型含有两个环管，环管上开有小孔为液相出流流道。中心桶内部为液相入口，外部为气相入口，模型下方为总出口。其气液两相流流动效果与实际相同。

图2 环形均布器模型示意图

数值模型含有66个液相通道，选取环管上11个通道作为监测面，得到的流量数据作为环形均布器均匀性评价的基本数据。选取的通道位置如图3所示。

图3 环形均布器通道编号示意图

1.3 模型设置

环形均布器内的工质流动是一种典型的气液两相流，选用VOF模型对其进行模拟计算，数值计算中采用的制冷剂工质参数如下表1所示。

表1 环形均布器均布特性模拟制冷剂工质参数

本文模拟的是气液混合的高旋流动，考虑到Realizablek-ε模型可以精确地预测平面和圆形射流扩散作用，而且它对于旋转流动、强逆压梯度的边界层流动、流动分离和二次流有很好的表现。本次模拟研究采用Realizablek-ε模型。

采用默认壁面函数处理近壁区域流动。数值离散格式及计算方法简述如下：压力采用PRESTO!格式；动量方程、k方程、ε方程均采用二阶迎风离散格式，体积分数方程采用Modified-HRIC格式；采用PISO算法对代数方程进行离散求解。

对于边界条件的选取，气相入口采用速度入口，液相入口采用压力入口，总出口采用压力出口，壁面条件选用无滑移壁面条件。由于模型为实际模型的1/4，侧壁面采用对称边界条件。

1.4 网格无关性验证

为保证计算精度，对模型网格进行了无关性验证。建立三个不同网格数目的环形均布器模型，网格数分别为304 845、615 640、801 752个，对气相速度为1.0 m/s、液相压力为2 kPa条件下的工况进行模拟。得到的模型小孔液相流量对比如表2。结果发现，网格数为60万与80万的模型通道出口流量与各通道质量流量离散系数相差不大，最终选择网格数目为80万左右的模型进行模拟。

表2 网格无关性验证表

2 模拟分析及讨论

2.1 均匀性模拟方案

绕管换热器在实际运行时，各种设备会遇到不稳定运行的状况，此时换热器内的运行参数如气相的流量与液相入口的压力就会发生相应的变化。对不同气相入口速度与液相入口压力工况下的环形均布器进行数值计算，分析对比其均匀性来研究二者对均匀性的影响。

具体运行参数对比均匀设计试验方案见表3与表4。

表3 环形均布器不同气相入口速度工况设计表

表4 环形均布器不同液相压力工况设计表

2.2 均匀性评价比较

在分析过程中均布器的均匀性用比例系数K与离散系数STD表示，其定义式如式(1)和式(2)

(1)

(2)

式中K——比例系数;

STD——离散系数;

Qi——晃动条件下各通道流量/kg·s-1;

N——通道总数目;

i——通道编号，1,2,…,N。

比例系数是指同一工况下每个通道监测的流量值与各个通道平均流量的比值，可以直观地得到同一工况下各通道流量值的相对大小关系，比例系数越接近1，流体分配均匀性越好。离散系数主要用于比较不同工况下的均布器的离散程度，可以反映不同工况条件下均布器物流分配的均匀性，便于分析不同运行参数对于均布器均布性的影响规律，离散系数越小，物流分配均匀性越好。

2.3 模拟结果分析

2.3.1 不同气相入口速度对比

环形均布器对气液两相流的均配中，气相流速与液相流速为重要的运行参数。在研究气相流速对于分配均匀性的影响时，液相入口压力保持不变，改变气相入口速度，得到8种不同工况下的比例系数及离散系数如图4所示。

图4 不同气相入口速度条件下分配均匀性对比

图4(a)展示了在不同气相流速下不同出流小孔的分配情况。从图中可以看出，在同一工况下，不同通道的流量之间存在一定程度的不均匀性。这是由于不同的流道所处的均布器的位置不同，其具有不同的沿程阻力，同时受到加工条件的限制，每个流道处的局部阻力也不相同，以上两种因素影响了流体的分配情况。图4(a)还表明，在不同气相入口速度条件下，每个流道间的液相流量有一定的波动，气相流速对环形均布器的均配性能有一定影响。

图4(b)给出了不同气相速度条件下的离散系数。从图中可知，在液相入口压力保持在2 kPa的条件下，随着气相入口速度的增大，均布器的离散系数呈现出先减小而后增大的趋势。气相入口速度在较小时(0.1 m/s、0.2 m/s)与只有液相的工况相比(气相入口速度为0)离散系数略有减小。而当气相入口速度较大时(0.5～1.5 m/s)，随着气相入口速度增大，模型离散系数逐渐增大，说明模型的均匀性逐渐变差。

图5 不同液相入口压力条件下离散系数对比

分析其原因：当气相入口速度较小时，液相出口处的压力场较稳定，随着气相入口速度的增大，液相通道外的压力随之减小，导致液相进出口压差变大，沿程阻力对流量分配的影响变小，使得均匀性改善。而当气相速度增加到一定程度时，气相流过环管的扰流增加，流场波动增大，不稳定性增强，增大了局部阻力的差异性，使得流量分配不均匀程度增加，均匀性恶化。

2.3.2 不同液相入口压力对比

液相流量对于分配均匀性的影响以液位高度的形式体现，不同的液位高度即对应了不同的液相入口压力。图5展示了不同液相入口压力条件下离散系数的变化情况。在气相速度分别为0.6 m/s，0.9 m/s与1.2 m/s的情况下，随着液相入口压力不断增大，均布器各通道流量的离散系数不断减小，即均布器的分布均匀性逐渐改善。这是由于液相入口压力的增大使得液相进出口压差也增大，导致气体扰动及小孔通道结构等产生的阻力不均匀性相对变小，从而使得整体的流体分配均匀性得到改善。

3 结论

本文建立了混合制冷剂环形均布器均布流动计算模型，对不同运行参数条件下混合制冷剂环形均布器的均布性情况进行了数值模拟，分析了气相入口速度与液相入口压力对于环形均布器分配均匀性的影响，得到了如下结论：

(1)环形均布器各液相流道因沿程阻力与局部阻力的不同而存在一定程度的流体分配不均匀。

(2)当气相入口速度较小时，环形均布器的液相均匀性随着气相入口速度的增大而改善；当气相入口速度较大时，环形均布器的液相均匀性随气相入口速度的增大而变差。

(3)随着液相入口压力的增大，环形均布器的液相均匀性逐渐改善。

[1]Kitto J B Jr，Robertson J M. Effect of maldistribution of flow on heat transfer equipment performance[J].Heat Transfer Engineering，1989，10(1)：18-25.

[2]陈永东，陈学东.LNG成套装置换热器关键技术分析[J].天然气工业，2010，30(1)：96-100.

[3]刘家瑞，赵巍，黄晓东，等.一种板壳式换热器壳程物流分配特性的模拟与优化[J].化工进展，2015，(10)：3569-3576.

[4]Lalot S.，Florent P.，Lang S. K.，Bergles A. E.. Flow maldistribution in heat exchangers[J]. Applied Thermal Engineering，1999(19)：847-863.

[5]黄超进.板翅式换热器物流分配特性研究[D].上海:上海交通大学，2010.

[6]巫江虹，陈长青，侯喜胜,等.板翅式换热器两相流分配特性分析及实验研究[J].低温与特气，1995(4)：39-45.

[7]MuellerM C，Chiou J P. Review of various types of flow maldistribution in heat exchangers [J]. Heat Transfer Engineering，1988，9(2)：36-50.

[8]Robertosn J. M.. Review of boiling condensing and other aspects of two-phase flow in plate-fin heat exchangers[R]. Compact heat exchangers-history， technological advancement and mechanical design problem，2. New York，1980：17-27.

[9]袁培，姜国宝，张菲妮，等.板翅式换热器两相流分配器[J].化工学报，2011，62(2)：31-36.

[10]黄善仿，王栋，林宗虎.气液两相流等干度流量分配方法研究[J].工程热物理学报，2012，33(10)：1727-1730.

[11]鲁红亮，陶红歌，胡云鹏，等.平行流换热器中热流体分布均匀性的研究进展[J].制冷学报，2010，31(6)：39-45.

[12]Junye Wang.Theory of flow distribution in manifolds[J].Chemical Engineering Journal，2011(168)：1331-1345.

[13]Yan Li，Yuxing Li，Qihui Hu，et al.Sloshing resistance and gas-liquid distribution performance in the entrance of LNG plate-fin heat exchangers[J].Applied Thermal Engineering,2015(82)：182-193.

[14]Sandra C. K. De Schepper， Geraldine J. Heynderickx， Guy B. Marin. CFD modeling of al1 gas-1iquid and vapor-liquid flow regimes predicted by the Baker chart[J].Chemical Engineering Journal，2008(138)：349-357.

[15]曾祥根，张占柱，王少兵，等.加氢反应器分配器的数值模拟[J].计算机与应用化学，2005，22(2)：148-152.