绕管式换热器壳侧流场流动与传热的数值模拟研究

阳大清，周红桃

（1.国家知识产权局专利局专利审查协作广东中心，广东广州　510530；2.华南理工大学环境与能源学院，广东广州　510006）

绕管式换热器壳侧流场流动与传热的数值模拟研究

阳大清1，周红桃2

（1.国家知识产权局专利局专利审查协作广东中心，广东广州510530；2.华南理工大学环境与能源学院，广东广州510006）

基于流体动力学数值模拟软件Fluent的应用，分别选取了标准k-ε模型、RNG k-ε模型对绕管式换热器壳侧流场过热蒸汽流进行数值模拟。分析了绕管式换热器壳侧流场过热蒸汽流传热过程的换热系数和压力降梯度，并与Fredheim试验结果进行比较。结果表明：绕管式换热器壳侧流场过热蒸汽流传热过程的数值模拟结果与试验结果相符，换热系数为200～1000 W/（m2·K），压力降梯度为500～5000 Pa/m，误差为±20%，验证了数值模拟计算方法的准确性。

数值模拟；绕管式换热器；过热蒸汽流；换热系数；压力降梯度

0　引言

绕管式换热器是大型天然气液化工厂首选的低温换热器，在全世界范围内90%以上大型天然气液化工厂所采用的均为美国空气产品化学工程公司（APCI）和德国林德公司（Linde）设计制造。这种高效节能的换热装置在炼厂加氢、空气分离、天然气液化、低温甲醇洗等工业领域得到广泛应用［1-5］。挪威的Fredheim［6］利用简化的缠绕管式换热器试验装置，测得了大量工况运行的试验数据，并与已有的换热系数以及压力降计算关联式的计算结果进行对比，得到了修正的计算换热系数与压力降的计算关联式；2004年，挪威Neeraas等［7-8］也通过试验方法，使用多种工质（氮气、甲烷等）以及它们不同相态对缠绕管式换热器壳侧流场流体流动与传热特性进行了研究，得到了大量的试验数据；Gistau等［9-11］也先后研究了结构参数对绕管式换热器壳侧流场流体流动与传热特性的影响。国内相关科研院所与学者亦有许多相关研究，李清海等［12-14］对绕管式传热进行了初步研究。

国内对于绕管式换热器研究集中于结构参数优化和液化节能可行性［15-24］。与试验研究相比，数值模拟技术具有自身优势:方便灵活、直观、可重复性、研究周期短等。因此，本文将利用Fluent数值模拟软件，研究绕管式换热器壳侧流场制冷工质过热蒸汽流动与传热特性。

1　物理模型的建立

1.1模型设计

物理模型以Fredheim实验台所使用的绕管式换热器为参考原型，如图1所示。设计的主要结构参数为:内径100mm，外径160mm，高度350mm，共3层缠绕管。从内到外分别由3，4，5根缠绕管并排缠绕而成，管层数分别为23，24，25。中心管层的缠绕管右旋，内外两个管层的缠绕管均左旋；中心管层的缠绕管为完整圆管，内外两个管层的缠绕管均为半圆管，缠绕管管径12mm，缠绕角度约8°。缠绕管的管间距为定值，纵向管距14mm、轴向管距16mm。流体入口为30根小圆管，平均分布于直径为128mm的圆周上，管径为10mm。

图1　绕管式换热器壳侧结构示意

如图1所示，试验中将绕管式换热器壳侧流场分为2个区域:过渡区与换热测试区。后者为中间管层最下面的4层缠绕管（如图1中黑框所示），管内通过电阻丝加热；中间管层的其他管层都为流场的过渡区，压力降测试区为过渡区的中间数层缠绕管。换热测试区主要研究换热系数hc，压力降测试区主要研究压力降梯度Δp/L，计算表达式如下:

式中Q——热流密度，W/m2

Tw——换热测试区加热管壁的平均温度，K

Tin——换热测试区流体的入口温度，K

Tout——换热测试区流体的出口温度，K

式中p1，p2——压力降测试区出口、入口平面的静压，Pa

ΔL——压力降测试区出口、入口平面之间的距离，m

对网格划分进行分块处理，采用T-Grid方式的四面体网格。取物理模型上的36°扇形区域作为计算域，对中间管层的管壁划分边界层并进行网格加密处理。计算区网格与切面网格分别如图2，3所示。

图2　计算域网格

图3　切面网格

1.2边界条件

边界条件定义如下:入口定义为质量入口；初始压力设置为0 Pa；质量入口的流动方向设置为与入口界面相垂直（由上往下）。流体的入口温度根据试验工况的流体入口温度确定；出口定义为自由出流。壁面边界条件:壳侧流场的测试换热区的4层缠绕管设置为静止、无滑移壁面，并定义为恒定热流密度的热边界条件，忽略壁面厚度；其他壁面均设置为静止、无滑移且不受热的壁面边界条件；操作条件设置为试验条件的压力值，参考压力点设置在入口圆面的中心点，忽略重力影响；初始条件以入口条件作为计算流场的初始场。

1.3计算工况与物性参数

设计试验工况具体参数作为数值模拟计算工况，如表1，2所示。

1.4物理模型简化与网格无关性验证

在设置相同的求解条件下，取过渡区为16，8，4层缠绕管建立3组计算域，分别进行数值模拟，并将计算结果与试验结果进行比较来探讨过渡管层数的影响，如表3所示。

表1　过热蒸汽流的计算工况及重要参数

表2　过热蒸汽流的物性参数

表3　过渡区不同的管层数目对壳侧过热蒸汽流动的影响

由表3可以看出，物理模型中过渡区过渡管层数目变化由16减到4，计算域的网格量减少85.6%，但hc与Δp/L变化率低于7.7%。可得出过渡管层数目对过热蒸汽流动与换热的影响较小。为提高计算效率，采用表3中过渡管层数目为4且总管层数目为8的物理模型进行数值研究为宜。

在上述管层简化的基础上，以不同网格密度的计算域进行相同工况（N2）的数值模拟计算，进行网格无关性验证，如表4所示。

由表4可以看出，计算域的网格数目由342679增加到526912，数值计算的换热系数与压力降梯度值分别增加10.5%与9.8%；网格数目由526912加密到664172，换热系数与压力降梯度值增加率分别为0.3%与0.2%；网格数目继续增加到887068，两者几乎无增加值。因此，计算域网格数目526912可作为数值计算模拟选择值，此时已呈现网格无关性。

表4　换热系数（hc）、压力降梯度（Δp/L）与网格数目关系

2　壳侧过热蒸汽流动与传热数值模拟

2.1湍流模型对比

本文数值计算启用三维单精度计算器，选用压力基求解器，忽略重力影响，采用瞬时一阶隐式计算（时间步长为0.001 s），启用能量方程，计算湍流模型选择k-ε双方程模型（具体子模型通过对比计算确定），壁面附近流动采用标准壁面函数，压力速度耦合采用SIMPLE算法，梯度离散采用Green-Gauss Cell Based离散格式，压力离散采用PRESTO！离散格式，动量方程、能量方程、湍动能k方程以及湍流耗散率ε方程的离散均采用二阶迎风离散格式。

基于绕管式换热器壳侧流场具有很强的弯曲流线流动的特性，分别选择标准k-ε模型和RNG k-ε模型进行数值模拟计算，对比计算结果与Fredheim试验结果的误差，探讨上述计算湍流模型的适用性，如图4，5所示。

图4　换热系数误差

图5　压力降梯度误差

由图4，5可以看出，采用标准k-ε模型和RNG k-ε模型进行计算的换热系数hc和压力降梯度Δp/L与Fredheim试验结果的误差基本维持在20%以内，且采用标准k-ε模型数值计算误差更小。由此可得，对于绕管式换热器壳侧流场过热蒸汽流动与传热数值模拟计算，计算湍流模型选用标准k-ε模型计算结果更为准确。

2.2切面边界条件的设置

扇形求解域的切面边界条件的设置为将上述切面的边界条件分别定义为质量入口（质量流量为0 kg/s）和绝热壁面（静止且无滑移），如表5所示，其他求解条件设置相同，进行数值计算并与Fredheim试验结果进行比较。

表5　不同边界条件的数值计算结果比较

由表5可以看出，将切面定义为质量入口（质量流量为0 kg/s）较定义为绝热壁面（静止且无滑移）计算结果误差更小。这与实际流场中切面处存在流体运动且流体进、出总量近乎平衡，切面处存在流体之间的换热，而非流体与绝热壁面的换热相符合。因此，数值计算采用质量入口（质量流量为0 kg/s）的切面边界条件。

2.3过热蒸汽流动数值模拟与分析

基于上述确定的计算湍流模型、切面边界条件以及其他求解设置，进行绕管式换热器壳侧流场过热蒸汽流动数值模拟计算，计算结果与Fredheim试验结果比较如图6，7所示。

由图6（a）可以看出，数值模拟计算的所有工况（包括氮气、甲烷和乙烷三种物质）壳侧过热蒸汽流动数值计算的换热系数基本在200～1000 W/（m2·K），质量流量为0.05～0.30 kg/s时换热系数为200～600W/（m2·K），大于0.30 kg/s时为 800～1000 W/（m2·K）。换热系数与Fredheim的试验结果相比均存在一定的偏差，约为5.3%～28.5%，大部分低于20%，换热系数与工质质量流量基本呈正相关。

图6　过热蒸汽流的数值模拟结果与Fredheim试验结果对比

图7　过热蒸汽流数值模拟值与试验值的误差对比

由图6（b）可看出，压力降梯度变化范围较大，为500～5000 Pa/m，质量流量为0.10 kg/s时压力降为500 Pa/m；质量流量为0.15～0.30 kg/s时压力降为 2000～2500 Pa/m；质量流量为0.30 kg/s以上时压力降增大，为3000～5000 Pa/m。数值计算的换热系数和压力降梯度与试验值的误差在1%～23.5%以内，大部分在20%以下，说明数值模拟稳定性强。

同时，对换热器壳侧流场过热蒸汽流动的数值模拟计算的换热系数与试验结果呈现负偏差的现象进行分析。可能原因主要有:

（1）在数值计算过程中利用定物性来数值模拟换热器壳侧流场制冷工质的过热蒸汽流动与换热，存在物性上的一定误差；

（2）在定义边界条件时，对加热壁面给定恒定热流密度与Fredheim试验中用电阻丝给缠绕管加热的壁面条件存在一定偏差；

（3）试验中通过热电偶布点测温以及压力计测定压力数据，而在数值计算的后处理过程是通过取面平均的温度和压力数据；

（4）试验结果本身存在10%左右的偏差。

由图7可以看出，数值计算的换热系数、压力降梯度与 Fredheim试验结果的误差基本都在-25%～20%，且压力降梯度的误差较小，换热系数的误差随质量流量的增大而减小。因为绕管式换热器壳侧流场的结构与流动传热较为复杂，可认为上述计算在误差范围内，同时证明了针对绕管式换热器壳侧流场的过热蒸汽流动的数值计算方法的正确性。

3　结论

通过对绕管式换热器壳侧流场的物理模型简化处理，选择了合适的计算湍流模型和边界条件，建立了适于过热蒸汽流动的数值模拟计算方法。得到如下结论:

（1）数值计算的换热系数与压力降梯度分别为200～1000 W/（m2·K），500～5000 Pa/m，误差基本在20%以内。

（2）对模拟结果进行分析得到过渡区管层数目对于壳侧流场过热蒸汽流动的换热和流阻影响较小，hc与Δp/L变化率低于7.7%；且标准k-ε模型对于壳侧流场过热蒸汽流动数值计算具有较好的适用性。

（3）过热蒸汽流动的hc与Δp/L与工质质量流量呈正相关。在流动阻力的合理范围内，应尽量增大工质的质量流量，以强化换热。

［1］王楚琦，马颖.绕管式换热器在天然气处理中的应用浅析［J］.石油与天然气化工，2014，43（6）:602-606.

［2］浦晖，陈杰.绕管式换热器在大型天然气液化装置中的应用及国产化技术分析［J］.制冷技术，2011（3）:26-29.

［3］黄庆军，任俊超，苏是，等.中国换热器产业现状及发展趋势［J］.石油与化工设备，2010，13（1）:5-8.

［4］陈永东，张贤安.煤化工大型缠绕管式换热器的设计与制造［J］.压力容器，2015，32（1）:36-44.

［5］张周卫，汪雅红，薛佳幸，等.低温甲醇用系列缠绕管式换热器的研究与开发［J］.化工机械，2014，41（6）:705-711.

［6］Fredheim A O.Thermal design of coil-wound LNG heat exchangers shell-side heat transfer and pressure drop［D］.Trondheim:Norwegian University of Science and Technology，1994:1-12.

［7］Neeraas B O，Arne O.Experimental shell-side heat transfer and pressure drop in gas flow for spiral wound LNG heat exchanger［J］.International Journal of Heat and Mass Transfer，2004，47（1）:32-33.

［8］Muhammad M A B，Nasir H，Muhammad H B.CFD applications in various heat exchangers design:A review［J］. Applied Thermal Engineering，2012，32（3）:1-12.

［9］Gistau G M.Operational experience with the 1.75 Ktore supra refrigerator［J］.Advances in Cryogenic Engineering，2008，35（4）:607-615.

［10］Roussel P，Girard A.The 400W at1.8 K test facility at CEA-grenoble［J］.Advances in Cryogenic Engineering，2006，51（2）:140-147.

［11］Flavio M，Andres R，Carlo P，et al.Systematic staging design applied to the fixed-bed reactor series for methanol and one-step methanol ether synthesis［J］. Applied Thermal Engineering，2014，70:1228-1237.

［12］李清海，杨瑞昌，施德强.缠绕管式换热器并管传热模型及实验［J］.清华大学学报，2005，6（1）:73 -79.

［13］郭崇志，林桥.管壳式换热器壳程流动与传热的数值模拟与验证［J］.化工进展，2011，30（10）:2131 -2140.

［14］魏江涛，曾桃.缠绕管换热器壳程传热特性的数值研究［J］.化学工程与装备，2015（2）:21-23.

［15］Zeng Min，Zhang Gaopeng，Li Ye，et al.Geometrical parametric analysis of flow and heat transfer in the shell side of a spiral-wound heat exchanger［J］. Heat Transfer Engineering，2015，36（9）:790-805.

［16］Lu Xing，Du Xueping，Zeng Min，et al.Shell-side thermal-hydraulic performances ofmultilayer spiral -wound heat exchangers under different wall thermal boundary conditions［J］.Applied Thermal Engineering，2014，70（2）:1216-1227.

［17］Zhang Gaopeng，Lu Xing，Wang Qiuwang，et al.Parametric study on flow and heat transfer performance of multi-flow spiral-wound heat exchanger［J］. Chemical Engineering Transactions，2014，39:319-324.

［18］Wang Tingting，Ding Guoliang，Duan Zhongdi，etal.A distributed-parameter model for LNG spiral wound heat exchanger based on graph theory［J］.Applied Thermal Engineering，2015，81:102-113.

［19］Cai Ping，Zhao Lijun，Liu Juan，et al.Study on inhomogeneity of heat transfer in tube-side for spiralwound heat exchanger［J］.Journal of Chemical and Pharmaceutical Research，2014，6（7）:449-454.

［20］贾金才.几何参数对绕管式换热器传热特性影响的数值研究［J］.流体机械，2011，39（8）:33-37.

［21］刘敏珊，杜庆飞，白彩鹏，等.基于三维实体模型的纵流壳程换热器数值研究［J］.流体机械，2013，41（1）:21-25.

［22］吴金星，李亚飞，张灿灿，等.绕管式换热器的结构形式分析及应用前景［J］.压力容器，2014，31（2）: 38-42.

［23］刘克安.缠绕式换热器节能特点分析［J］.石油化工建设，2011（6）:78-79.

［24］李健伟，曲萍，武艳芳，等.多股流绕管换热器管板结构分析［J］.压力容器，2013，30（5）:18-22..

Study on Flow and Heat Transfer of the Shell Side in Spiral-wound Heat Exchangers Based on Numerical Simulation

YANG Da-qing1，ZHOU Hong-tao2
（1.Patent Examination Cooperation Center of the Patent Office，SIPO，Guangzhou 510530，China；2.School of Environment and Energy，South China University of Technology，Guangzhou 510006，China）

Based on the application of Fluentwhich was numerical simulation software in the fluid dynamics，standard k-εmodel，RNG k-εmodel were selected as the foundation of the numerical simulation model in the shell side of spiralwound heat exchangers for the flow turbulence of superheated steam.Heat transfer coefficient and pressure drop gradientwere studied in the heat transfer processwhich superheated steam flow in the heat exchanger.Compared with the Fredheim experiment results，the heat transfer coefficientwas200～1000W/（m2·K）and pressure gradientwas500～5000 Pa/m.The result errorwas less than±20%and itwas reasonable.

numerical simulation；spiral-wound heat exchangers；superheated steam；heat transfer coefficient；pressure drop gradient

TH123；TQ051.5

A

1001-4837（2015）11-0040-07

10.3969/j.issn.1001-4837.2015.11.007

2015-07-03

2015-10-20

阳大清（1988-），男，主要从事机械与流体专利审查工作，通信地址:510053广东省广州市国家知识产权局专利局专利审查协作广东中心，E-mail:ouyangdaqing@163.com。

周红桃（1988-），男，主要从事工业废水处理中能量回用与资源化研究工作，通信地址:510006广东省广州市华南理工大学环境与能源学院，E-mail:z.ht01@ mail.scut.edu.cn。