倾斜安装对注液封条两相流分配特性的影响

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(1.中海石油气电集团有限责任公司技术研发中心，北京　100027； 2.哈尔滨工业大学 建筑学院，黑龙江　哈尔滨　150001； 3.哈尔滨工业大学 能源科学与工程学院，黑龙江　哈尔滨　150001)

近年来煤炭资源的不断消耗使人类对油气资源的需求与日俱增，天然气作为清洁能源正受到越来越多的关注。换热器作为天然气开发的关键设备，其性能决定了天然气开采的效率。板翅式换热器作为LNG主低温换热器将气态天然气液化，但在设计、制造、安装、运行中的种种问题会引起换热器内部两相流体流动的不均匀分配，导致换热器换热效能的下降及天然气液化效率的降低[1-3]。

国内外学者针对板翅式换热器两相流动不均匀开展了大量的研究并提出多种改进分配效果的结构，如导流片分配，喷射管分配，多孔板分配等[4]。厉彦忠等[5-6]对板翅式换热器中入口封头的结构提出了改进的二次封头模型，有效地降低了换热器入口气液两相流分配不均匀程度；Wang Chichuan等[7-9]从管径、管长以及孔径等参数对笛形管入口结构进行优化，改进后的笛形管具有良好的气液分配效果；章晓龙[10]对板翅式换热器中影响流体分配不均的结构因素和流体因素进行了分析，介绍了多种改善板翅式换热器换热性能的改进措施；Robertosn等[11]在研究中提出先分离再单独进入板翅式换热器进行混合的方法的均匀性要优于两相流直接进入板翅式换热器内部；吴裕远等[12]也通过实际工程提出了“先分配，后混合”的新结构要比传统的“先混合，后分配”结构更容易达到气液分配均匀；袁培等[13]利用水-空气对一种气液分离入口的注液封条结构的分配性能进行了实验研究，发现可以有效地改善板翅式换热器的物流分配特性。李焱等[14]采用数值模拟的方法研究板翅式换热器的入口分配形式，同样发现“先分配，后混合”入口方式的气液两相均匀性更好。

注液封条常应用于板翅式换热器中进行气液分配，取得了良好的均配效果。但在实际使用过程中，由于加工安装精度以及长时间运行疲劳的影响，注液封条的安装位置会发生倾斜从而对气液两相冷剂的均配效果产生影响，分配影响规律也不明确。本文对LNG板翅式换热器注液封条结构不同安装位置的气液两相流体分配特性进行数值模拟研究，得到不同安装位置的注液封条内部气液两相流分配特性的影响规律，为板翅式换热器在液化天然气领域的应用提供参考。

1　数值模型分析

1.1　几何模型简化

本文采用了SolidWorks三维建模软件对板翅式换热器注液封条进行了模型简化建模，具体结构参数见表1。在注液封条内，选取了40个气相通道和两个液相通道进行流体均布性能分析，如图1所示。液相工质从两个液体通道两端分四路进入注液混合结构，通过液体小孔流向气相通道。在长方形的气相通道中，气相与液相流体混合并夹带液相流入相连的换热流道参与后续换热。本次模拟计算采用六面体结构化网格对注液封条结构建立网格模型，并在连通孔处做加密处理，并进行了网格无关性验证，最终的网格数为632 579个，如图2所示。为了保证模拟数据的准确性，在网格模型中，将每4个气体通道设为一个监测面，分别命名为第1至第10个通道(out1-out10)，监测并获取其质量流量。

表1几何结构参数

结构参数尺寸数据封条外形 1 420 mm×50 mm×6.5 mm气体通道 50 mm×8 mm×2 mm×40个,间距20 mm液体通道 1 225 mm×10 mm×3.2 mm×2个,间距10 mm连通小孔 φ1.8 mm

图1　注液封条结构示意图

图2　注液封条结构网格

1.2　控制方程

1.2.1多相流模型

板翅式换热器注液封条内部流动是一种典型三维复杂的气液两相流模型。FLUENT中常用的两相流模型有三种：VOF模型、Mixture模型和Eulerian模型。VOF模型通过求解单独的动量方程和处理穿过区域的每一流体的体积分数来模拟两种或多种流体的流动情况。由于我们研究的是整个流场中的瞬态发展过程以及气液两相的均布情况，故我们采用VOF模型，其控制方程如下

容积比率方程

(1)

式中αq—q相的容积比率。

容积比率方程不是为主相求解的，主相容积比率的计算基于如下的约束

(2)

物性方程

(3)

(4)

动量方程

(5)

由于不考虑换热情况，故不再阐述能量方程。

1.2.2湍流模型

本文模拟的是气液混合的高旋流动，故湍流模型选择的是RNGk-ε模型，其控制方程如下

(6)

(7)

式中μeff=μ+μt,Gk、Gb、YM、C1ε、C2ε、C3ε、Cμ等参数的含义与标准k-ε模型中相同，Cμ=0.084 5，C1ε=1.42，C2ε=1.68；

αk、αg——湍流动能和耗散率的有效普朗特数的倒数，数值为1.39。

1.3　模拟参数的设置及求解

采用非稳态隐式VOF模型进行静止条件下的板翅换热器注液封条均布流动特性的研究。在模拟过程中，气液两相流体的物性参数采用真实工质的物性参数数据，具体数据见表2。对于边界条件的设置，入口采用速度入口边界条件，出口采用压力出口边界条件。模拟过程中压力参考点设置在液体进口中心点，壁面设置为无滑移壁面。其他数值模拟参数根据文献调研及实际情况进行设置，如表3所示。将划分好的网格模型(如图1)导入到FLUENT软件中，按照表3设置好相关参数。采用24核工作站进行并行计算，计算结果中速度残差值、连续性残差值、能量残差值和k，ε残差值均小于0.001，同时对于监测的各气相通道出口质量进行数值对比，不再发生数据波动，计算结果满足收敛性要求。

表2流体物性参数

工质密度/kg·m-3动力粘度/Pa·s水力直径/m液相597.52.72E-040.004 8气相5.7676.78E-060.003 2

表3数值模拟参数设置

名称参数设置名称参数设置求解模型非稳态湍流强度/[%]5能量模型关闭出口边界类型压力出口湍流模型RNGk-ε壁面温度/K298流体温度/K298收敛精度0.001操作压强/Pa101 325时间步长/s0.01入口速度/m·s-11.389/8.559(液/气)压力-速度耦合方式PISO重力加速度/m·s-2-9.81体积分数方程Modified-HRIC

2　数据处理

本文采用流量不均匀度反映不同通道的流量不均匀情况，通过对10个气液两相通道出口的质量流量的流量不均匀度来分析注液封条不同通道的流量不均匀情况。流量不均匀度用Dj表示[15]，如下式所示

(8)

式中i——通道编号。

在分析过程中，为了便于对比不同工况下的流体分配不均匀性，气液两相出口质量流量不均匀性用离散系数y表示，其定义式如下

(9)

(10)

(11)

式中mi——出口截面不同通道质量流量。

离散系数表示了不同工况下的流体均布性能。离散系数越小，说明该工况流体分配越均匀；反之，说明流体分配不均匀。

3　模拟结果及其分析

注液封条结构作为两相工质分配的入口装置在板翅式换热器中有多种安放位置。本文对四种不同安装位置及其倾斜形式对于注液封条流量分配不均匀性的影响开展数值模拟研究，安装位置示意见图3，安装位置发生变化时入口条件保持不变。对于每种注液封条的安装位置，都进行偏移(-6°，-8°，-10°，0°，6°，8°，10°)，侧倾(1°，3°，5°)共10组工况的模拟计算，共40组工况。

3.1　气相通道竖直向上放置

图4给出了在气相通道竖直向上时不同倾斜角度下10个通道流量分配的不均匀度。可以看出，各通道的气液总流量分布情况呈两侧通道小，中间通道大的趋势。在不同偏移角度下，流量不均匀度在0.90～1.10的范围内，且不同偏移角度工况下的流量分配情况略有差异，但不明显；在不同侧倾角度下，流量不均匀度在0.85～1.10的范围内变化，但各通道的流量分配情况有明显差异。

图3　不同位置安装示意图

图4　气相通道竖直向上不同安装位置的流量不均匀度

图5给出了不同倾斜角度下10个通道的质量流量离散系数。从图5(a)中可以看出，不同偏移角度情况下的离散系数呈先增大后减小的趋势，说明注液封条气相通道竖直向上放置安装时不同角度的偏移对其流量分配的均匀性有一定的促进作用。从图5(b)可以看出，不同侧倾角度情况下的离散系数差异性较大，并且其总体趋势为侧倾角度越大，离散系数越大，说明注液封条气相通道竖直向上安装时不同侧倾角度对于其流量分配特性有很明显的影响，并且侧倾角度越大，流量分配越不均匀。

图5　气相通道竖直向上不同安装位置离散系数

3.2　气相通道竖直向下放置

图6给出了在气相通道竖直向下时不同偏移角度下10个通道流量分配的流量不均匀度。从图6中可以看出，各通道的气液总流量分布情况呈两侧通道小，中间通道大的趋势，与注液封条竖直向上时基本一致。在不同偏移角度下，流量不均匀度在0.90～1.10的范围内，且不同偏移角度工况下的流量分配情况略有差异，但不明显；在不同侧倾角度下，流量不均匀度在0.85～1.10的范围内变化，但各通道的流量分配情况有明显差异。

图6　气相通道竖直向下不同安装位置的流量不均匀度

图7给出了竖直向下流动时各通道的质量流量离散系数。由图7(a)可知，当注液封条的偏移角度增大时，安装位置左偏时离散系数总体呈小幅度减小，右偏时总体呈小幅度增大，即注液封条的均匀性在安装位置左偏时略有优化，右偏时略有恶化，但总体上来看，安装位置偏移会导致注液封条均匀性变差。由图7(b)可知，随着侧倾角度的增加，离散系数增大，说明侧倾会严重影响注液封条的均匀性，恶化，且侧倾角度越大，流量分配越不均匀。

图7　气相通道竖直向下不同安装位置离散系数

图8　液相通道水平向上不同安装位置的流量不均匀度

图9　液相通道水平向上不同安装位置离散系数

图11　液相通道水平向下不同安装位置离散系数

3.3　液相通道水平向上放置

图8给出了在液相通道水平向上放置，不同安装位置时10个通道流量分配的流量不均匀度。由图8(a)(b)可知，在注液封条水平放置的情况下，各通道的气液流量分配情况与竖直放置时基本一致，中间通道流量大于两侧通道的流量，且不同侧倾条件下的各通道的分配差异性较偏移条件下明显。

图9给出了在液相通道水平向上放置，不同安装位置时10个通道的质量流量离散系数情况。从图9(a)中可以看出，不同偏移角度情况下的离散系数基本上是一致的，说明注液封条液相通道水平向上放置安装时不同偏移角度对于其流量分配特性影响不大。图9(b)表明，不同侧倾角度情况下的离散系数差异性较大，并且侧倾角度越大，离散系数越大，说明注液封条液相通道水平向上放置安装时侧倾对于其流量分配均匀性有明显影响，侧倾角度越大，流量分配越不均匀。

3.4　水平液相通道向下放置

图10给出了在液相通道水平向下放置时10个通道流量分配的流量不均匀度。由图10可知，液相通道水平向下放置的各通道流量分配情况与水平向上时放置趋势相近，侧倾较偏移对流量均匀性有更明显影响。

图11给出了在液相通道水平向下放置不同安装位置的离散系数变化情况。从图11(a)(b)可以得到，注液封条液相通道向下放置时，不同偏移角度对于其流量分配特性影响较小，而不同侧倾角度对于其流量分配特性有很明显的影响，并且，侧倾角度越大，流量分配越不均匀。

当注液封条安装方向不同时，对比的气液两相在各个通道内的分配情况，由图4～图11可知，在气相通道竖直向上或竖直向下，液相通道水平向上或水平向下放置时，各通道的两相流体分配趋势相同，这表明安装方向对于气液两相在注液封条内的分配趋势影响较小。同时对比几种安装方式，侧倾安装会导致流体均匀性恶化，而偏移安装则影响较小，这是因为侧倾安装会导致两端液相流体受重力的影响最大，使得流体均布不均匀。同时受到重力的影响，不同连通小孔处的气液夹带效率也会有明显的降低，导致每处的气液相容积率差异较大，质量分布不均匀。

4　结论

(1)当安装位置不同时，板翅式换热器注液封条内的气液两相流体分配的总趋势相同，即中间通道的气液两相流量大于两端通道的流量，这是由于两端液相流体在中间汇合导致流量增大。而安装位置对于气液分配的总趋势影响较小。且安装不发生倾斜时，四种安装形式对注液封条内气液两相冷剂分配的均匀性影响较小，离散系数位0.067～0.07之间。

(2)对于同一种安装位置，当注液封条处于不同偏移角度时，板翅式换热器各通道的气液流量分配的总趋势与不偏移时一致，即偏移角度不会改变气液两相在各个通道的分配趋势；当封条竖直向上安装时，两相均匀性随偏移角度的增加优化；当竖直向下安装时，左偏移的均匀性要好于右偏移；水平向上与水平向下安装时，两相均匀性变化较小，几乎不会影响流体均布特性。

(3)当注液封条处于不同侧倾角度时，板翅式换热器各通道流量发生明显变化，且不同安装形式的板翅式换热器两相均布性能变化规律基本一致，即随着侧倾角度的增加，离散系数由0.067增大到0.077，两相均匀性变差，因为侧倾安装会导致两端液相流体受重力的影响最大，使得流体均布不均匀。同时受到重力的影响，不同连通小孔处的气液夹带效率也会有明显的降低，导致每处的气液相容积率差异较大，质量分布不均匀。因此在实际工程中应尽量避免侧倾安装。