PCHE细小多通道内天然气沸腾两相流分配特性数值分析

刘佳伦 ,林金鹏,宁 亮,唐凌虹

(西安石油大学 新能源学院,陕西 西安 710065)

印刷电路板式换热器(printed circuit heat exchanger, 简称PCHE)作为一种新型微通道换热器,具有体积小、结构紧凑、换热效率高等特点[1],近年来逐步被用于天然气生产工艺中,尤其在深海液化天然气浮式生产储卸装置中(FPSO)具备明显优势,应用前景极为广阔。在PCHE运行过程中,相邻两层的冷、热流体通过子通道壁面进行热量交换,工质发生沸腾相变,各通道间普遍存在严重的汽液两相流分配不均现象。已有研究表明通道间的工质分配不均可导致换热器整体性能下降幅度达到30%以上[2],严重情况下,可能会导致局部温度迅速变化,产生热应力并损坏内部构件。

传统天然气生产工艺主要采用板翅式换热器或绕管式换热器。张冰等[3]、Zhu 等[4]以空气-水为工质研究板翅式换热器内的两相流分配特性;Wang 等[5]对不同倾斜角下绕管式换热器内天然气两相工质的分布不均匀性进行了实验研究;吴静玮等[6]利用两相甲烷为工质,对板翅式换热器内流体分配特性进行了数值模拟研究,发现液相甲烷分配不均匀度的影响程度较汽相更高。然而,板翅式换热器或绕管式换热器的通道结构、尺寸与 PCHE 通道存在明显差异[7],导致其相关研究成果难以直接应用于 PCHE。

由于 PCHE 近年来才逐步被应用到天然气生产工艺中,目前有关 PCHE 内天然气两相流的分配研究较为匮乏,大多数研究针对 PCHE 在布雷顿循环内热交换系统等其他领域内的工质分配特性。例如,Pasquier 等[8]、Ma 等[9]以单相水为工质研究了稳态工况下 PCHE 内的流量分配特性;吴强等[10]以超临界 CO2为工质探究了不同结构参数下流量分配不均匀度对 PCHE 综合换热特性的影响;付康等[11]以空气为工质探究了流量分配不均匀性对 PCHE 流动换热性能的影响。特别的,Wang 等[12]提出一种简化的二维模型,对印刷电路板式换热器中超临界 LNG 的流量分配过程进行了数值模拟研究。

从上述研究中发现,现有绝大多数关于 PCHE 内工质分配特性的相关研究中大部分采用单相工质(例如空气、水、CO2、超临界 LNG)。与单相流相比,两相流动随着两相工质结构的不同以及各种物质状态或运动状态间组合的不同,内在规律也会发生显著变化,所以在换热器各通道间的流量分配规律较单相流复杂得多;此外,天然气内部包括甲烷、乙烷等多个组成成分,其密度、黏度等基本物性与空气、水、CO2等工质也存在显著差异。

为此,本文以天然气两相混合物为工质,充分考虑天然气真实物性和 PCHE 封头内部以及多个细小通道间汽液两相流的流动过程,构建适用于 PCHE 细小多通道内天然气两相流分配特性的三维非稳态模型,研究换热器不同入口流型下 PCHE 内天然气两相流的流量分配规律,为天然气浮式生产储卸装置上 PCHE 的高效安全运行提供理论依据。

1 物理模型及网格划分

1.1 物理模型

为了更好地捕捉 PCHE 复杂流道截面上汽液两相流体参数的非均匀分布情况,本文选择三维建模方式,但是实际 PCHE 结构极其复杂[13],通道数目成百上千,无法按照实际三维结构开展数值计算。本文在反映基本科学问题的基础上,参考真实 PCHE 结构,进行适当简化,构建了半圆形直通道 PCHE 物理模型,图1给出了本文所研究的 PCHE 几何结构参数示意图。

图1 研究对象的三维几何结构和尺寸参数

从图1可以看出,天然气汽相和液相工质分别从入口-1、入口-2进入汽相引入段和液相引入段,充分混合为汽液两相流后进入封头,通过封头分配进入到各个并联子通道,其中入口-1和入口-2半径为2.5 mm,封头半径为5 mm,汽相引入段和液相引入段长度为50 mm,混合段长度为200 mm,保证封头入口两相流充分发展。微细通道数目设置为12根,长度为50 mm,截面半径为1 mm,通道编号顺序和具体位置分布如图1下侧所示,沿z轴方向有4排通道,沿y轴方向有3列通道,通道编号用i-j表示(i表示排号,j表示列号),各个子通道沿z轴分布间距为10 mm,沿y轴分布间距为3 mm,重力方向为y轴的负方向,图1中用G表示。

1.2 网格划分

本文研究对象中封头截面最长段为40 mm,微细通道水力直径仅为1.2 mm,沿程流动截面频繁变化,局部各个部分之间的尺寸差异很大,相差达到数十倍。另外,本文需要模拟汽液两相流从封头到多个微细通道内的复杂流动过程,对网格质量要求很高,所以采用结构化网格划分方法对图1所示几何模型进行网格划分,对近壁面处设置边界层网格,并对流动情况较为复杂的分流结构处网格进行局部加密,网格划分结果如图2所示。

图2 研究对象的网格划分

2 数学模型及求解

2.1 湍流模型

本文采用较为成熟且应用广泛的标准k-ε模型进行计算,其控制方程为

(1)

(2)

式中:k为湍流动能,J;ε为湍流耗散率;Gk为湍动能生成项;μ为动力黏度,Pa·s;μt为湍动黏度,Pa·s;Cε1,Cε2,σε,σk均为模型常数。

2.2 多相流模型

VOF 模型通过研究网格单元中流体和网格体积比函数确定自由面进而追踪相界面位置动态变化,可以清晰体现出封头入口处汽液两相流的流型变化特征。其控制方程如下:

(3)

(4)

2.3 边界条件及物性设置

本文在模拟计算中选取真实天然气物性数据,参考 PCHE 某一真实运行工况下对应的工质参数[14-15],通过软件 Aspen Plus V10进行计算分析,得到天然气两相的各项物性数据,如表1所示。

表1 天然气汽-液两相物性数据

换热器各入口通道均设置为速度入口边界条件,出口均设置为压力出口边界条件,壁面条件为绝热且无滑移,采用二阶迎风格式离散动量、湍流动能和比耗散率。

3 模型可靠性验证

本文采用文献[16]中的实验数据进行验证,均为对汽液两相流流量分配特性的研究,且通道尺寸同样属于微细通道范畴。利用本文模型计算封头入口汽相流速和液相流速分别为0.2 m/s 和0.65 m/s 工况下各个微细通道内的质量含气率和质量含液率,并与对应实验数据进行对比,如图3所示。

图3 本文数值模拟结果与文献[16]实验数据的对比

从图3可以看出,本文计算结果与实验数据吻合良好,所有计算结果的平均相对误差为8.59%。

4 数值模拟结果分析

本小节基于本文建立的数值模型对印刷电路板式换热器内天然气工质的分配特性开展研究。参考 PCHE 实际工质流速范围[17],本文设计4个算例工况,研究在换热器入口分别为单相流条件和天然气两相流条件下 PCHE 各通道间流量分配特性的变化规律。本文设计算例工况如表2所示。

表2 本文设计的算例工况

参照张井志等[18]的汽液两相流流型图,不同算例下对应流型如图4所示[18]。

图4 本文研究工况对应流型图

4.1 换热器入口单相流条件下 PCHE 内流量分配特性分析

(5)

(6)

图5给出了换热器入口为单相液态天然气条件下各通道的质量流量分配情况。从图5中可以看出,不同通道质量流量存在明显差异。由于第2排和第3排距离混合引入段更为接近,且更靠近于封头中心位置,液相天然气进入封头后向四周扩散,首先进入这两排通道,所以第2排和第3排通道明显高于第1排和第4排通道的质量流量;同时,由于通道截面为半圆形,所以1、2排通道与3、4排通道并不是严格的对称分布,第3、4排通道相比于1、2排通道更加靠近封头中心轴线位置(如图1所示),所以流入第3排通道会比第2排通道质量流量略高,流入第4排通道会比第1排通道的质量流量略高。此外,从图5中可以看出,即便位于同一排的各个通道流量仍然存在差异,对于同一排通道而言,中间通道会相较于两端通道的质量流量高,且两端通道的质量流量相同,为对称分布,主要原因在于工质从混合段进入封头经历了突扩过程,经过封头分配到各个子通道则经历了突缩过程,这种复杂的流动结构变化导致封头内部产生各种大小不一的漩涡(如图6所示),流体由于局部漩涡的形成而经历局部水力损失,显然流体进入不同通道经历的局部水力损失是不同的,导致各通道间流量分配存在一定差异。

图5 单相流条件下各通道质量流量分配情况

图6 封头内部工质速度流线分布示意图

本文引入相对标准偏差(RSDk)来表示各通道质量流量分布的不均匀性,对于通道内工质质量流量M来说,RSDk值越大表示分配均匀性越差,反之越均匀。RSDk计算公式为

(7)

通过计算得知,单相流条件下各通道间质量流量的相对标准偏差(RSD)为0.000 4。

4.2 换热器入口两相流条件下 PCHE 内流量分配特性分析

为探究两相流条件下 PCHE 各个细小通道内的流量分配特性,图7给出了算例2～算例4换热器入口通道内天然气两相流流型分布的变化结果。

图7 不同算例下换热器入口通道内两相流型分布变化结果

从图7中可以明显看出,从算例2到算例4,换热器入口通道内气相表观流速由0.1 m/s 逐渐增大到5.0 m/s,两相流流型由泡状流过渡为弹状流,接着转变为环状流。

此小节首先以算例2为例,研究换热器入口为泡状流条件下 PCHE 内天然气两相工质的质量流量分配规律。本文采用非稳态模型求解,由于天然气两相流间两相工质相互作用造成的流动不稳定因素,各通道两相工质质量流量呈现周期性的波动特征,图8给出了各个通道汽相质量流量随时间变化结果。

图8 各个通道的汽相质量流量变化结果

从图8中可以看出,各个通道的汽相质量流量均呈现明显的周期性波动,波动幅度以及周期差异很大。这主要是因为在计算结果收敛后气泡会周期性地流过通道,导致通道汽相质量流量产生周期性的变化;流体在经历封头处突扩、突缩这种急剧的流动结构变化导致封头内部流场扰动极为剧烈,使各个通道分配极不均匀且流速不同,造成气泡交替流出通道时间不一样的结果,从而引起各个通道汽相质量流量的波动幅度以及周期差异明显的现象。

由于各通道间动态变化较为复杂,很难直观对比分析各通道间质量流量分配的不均匀程度。本文在两相流动充分稳定后提取1 s 时间内(高于一个流动周期)通道中天然气两相工质质量流量的计算结果,并计算其平均值来表征该通道的质量流量。

基于以上数据处理方法,本文进一步计算该工况下各个通道汽相工质,液相工质和两相混合物的平均质量流量。图9首先给出了各个通道汽相工质质量流量分配情况。

图9 各个通道汽相工质的质量流量分配情况

从图9中可以看出,各通道间汽相工质分配规律极其复杂,而且极为不均匀,总的来说,存在以下几条规律:

首先,从图9中可以明显看出,流入通道2-2和通道3-2的汽相质量流量要明显高于其他通道。这主要是因为本算例中,换热器入口为泡状流流型,气泡基本位于混合引入段的中心区域(如图7所示),进入封头之后气泡流速较小,惯性力较小,往往倾向于流入距离封头入口最近的通道,根据图1中各通道的布置位置,可以明显看出,通道2-2和通道3-2是距离混合引入段中心位置最近的两个通道。其次,对于位于同一排的通道,由于本算例下气泡惯性较小,受浮力影响显著,汽相更倾向于流入第3列通道,如图9所示,除了上述的通道2-2、3-2之外,通道1-3、4-3的汽相质量流量均分别高于同一排其他通道的汽相质量流量。

图10给出了气泡在进入封头后溃散分布的过程。

图10 气泡进入封头后的溃散过程

从图10中可以看出,大气泡在0 s 时到达换热器入口处,在0.2 s 时气泡撞击封头壁面,溃散成小气泡,在0.4 s 时小气泡正在进入距离封头中心较近的通道,在0.6 s 时小气泡大多已经进入了第2、3排通道,下一个大气泡到达换热器入口处,如此循环反复。

图11给出了各个通道液相工质和两相混合物的质量流量分配情况。

图11 各个通道液相工质和两相混合物质量流量分配情况

从图9和11中可以看出,在整体分布上,液相质量流量分布与汽相质量流量变化趋势几乎相反。这主要是因为,子通道截面水力直径仅有1.2 mm,而换热器混合引入段内气泡体积较大,对于汽相质量流量较大的通道,气泡的流动可能会阻塞液相的进入,致使相应通道的液相质量流量较小;液相更倾向流入汽相质量流量较少的通道。最后,由于汽相密度较小,汽相质量流量相比于液相质量流量低2～3个数量级,导致两相混合物总质量流量几乎与液相质量流量的分配趋势一致。

本工况下,换热器入口为泡状流流型,各通道内汽相质量流量的相对标准偏差为1.38,液相质量流量的相对标准偏差为0.036,两相混合物质量流量的相对标准偏差为0.035 8。在4.1节中,当换热器入口为单相液态天然气时,各通道间质量流量分配的相对标准偏差仅为0.000 4,两者相差近100倍。由此可看出,当换热器入口通入汽相工质变为两相流时各通道内的流量分配发生明显变化,不均匀度明显增大。

4.3 不同流型下 PCHE 内流量分配结果对比分析

本小节通过计算分析表2中算例2～算例4的计算结果,不断增加换热器入口汽相表观流速,研究换热器入口不同流型下 PCHE 内两相流分配特性的变化规律。图12给出了不同算例下各个通道汽相质量流量分配特性的对比结果。

图12 不同算例各个通道汽相工质质量流量分配对比结果

从图12中可以看出,在不同算例下,汽相都会更倾向于进入靠近封头中心位置的通道2-2和通道3-2,造成通道2-2、3-2的汽相质量流量远高于其他通道,呈现峰值分布,导致各通道间的汽相分配不均匀度极高。在换热器入口为泡状流(Jl=0.5 m/s,Jg=0.1 m/s)条件下,各通道间汽相质量流量相对标准偏差达到1.38,但随着换热器入口汽相流速的增大,这种峰值现象有所削弱,通道2-2和通道3-2的汽相质量流量有所降低,其他通道汽相质量流量有所增大,通道间的汽相分配不均匀度降低,当换热器入口为环状流(Jl=0.5 m/s,Jg=5.0 m/s)条件下,各通道间汽相质量流量相对标准偏差减小至0.76,两者相差近2倍。主要原因在于,随着换热器入口汽相流速的增大,进入封头的气泡流速增大,惯性力随之增大,气泡数量增多,气泡在惯性力作用下,逐渐有气泡被冲到距离封头中心线更远的其他通道。

图13给出了不同算例下各个通道液相质量流量分配特性的对比结果。

图13 不同算例各个通道液相工质质量流量分配对比结果

从图13中可以看出,随着换热器入口汽相流速由0.1 m/s 逐渐增大至5.0 m/s,各通道间的液相质量流量相对标准偏差逐渐由0.036增大至0.248,两者相差近7倍,分配不均匀度加剧。原因在于,随着汽相质量流量的逐渐增大,在两相流动中汽相占据主导地位,尤其是当汽相流速增大到5.0 m/s 时,混合引入段几乎全部被汽相占据(如图7所示),液相在管壁四周以液膜状态流入封头,在封头内部的剧烈扰动中,液膜更容易被气流“撕碎”“卷吸”,受相间作用力、惯性力影响,运动轨迹复杂多变,分配不均匀度加剧。

5 结 论

本文构建了适用于 PCHE 细小多通道内天然气两相流分配特性的三维非稳态数值模型,通过数值模拟研究得到以下结论:

(1)当换热器入口为单相液态天然气时,各通道间工质的质量流量会存在一定差异,靠近换热器入口通道的工质质量流量往往高于远离换热器入口通道的工质质量流量。

(2)相比于单相液态天然气,当换热器入口混入汽相工质变为汽液两相混合物时,各通道间液相工质质量流量的相对标准偏差增大近100倍,分配不均现象明显加剧。导致该现象的主要原因在于来流汽相工质往往倾向于进入距离换热器入口最近的若干通道,导致这些通道的汽相质量流量显著高于其他通道,使得各通道汽相工质质量流量分配特性整体呈现明显的“峰值分布”

(3)随着换热器入口汽相工质流速的不断增大,惯性力随之增大,气泡数量同样增多,在惯性力作用下,逐渐有气泡被冲到距离封头中心线更远的其他通道,各通道间汽相工质的质量流量分配不均现象逐渐缓和,但是液相工质的质量流量分配特性发生明显恶化。