再沸器单根换热管外围壳程流场沸腾传热的数值模拟

2020-06-03刘长海张莹光

化工机械 2020年2期

刘长海杨博张莹光

（1.东北石油大学机械科学与工程学院；2.中国石油大庆石化公司塑料厂）

再沸器（也称为重沸器）是换热器中的一种典型设备，在实际生产中广泛应用于能源、化工及石油等领域［1，2］。作为一种常用的化工生产设备，在实际生产中常安装于蒸馏塔塔底，用于汽化塔底产物，壳程沸腾传热是其主要工作原理。沸腾传热是一种带有相变的对流传热［3，4］，热量传递主要通过汽泡的生成、长大和脱离壁面逐渐实现，因具有热通量高与温度差较小的特点被广泛应用于动力、热能、化工、冶金及制冷等各种工业生产中［5，6］。

当前，随着实际工程对生产设备需求的不断提高，大型化、临界化、高温化和高压化成为生产设备一个新的发展方向［7］。在传热学研究中，壳程沸腾传热既是一个传统的经典课题［8］，也是国内外正在研究的前沿课题。随着研究的持续深入与不断完善，必将为国民经济建设带来巨大的经济与社会效益［9］。

随着计算机技术的发展，数值模拟已成为计算流体力学、计算传热学的常用研究方法［10］。采用数值模拟方法对管壳式换热器壳程传热、流场的分析已经得到应用，并取得一定的经济效益［11］。目前主要采用两相流沸腾模型对管壳式换热器进行沸腾传热的数值模拟，在计算过程中首先简化几何模型，然后根据实验数据选取合适的边界条件、与实验现象相近的湍流模型和计算方法在Fluent中进行沸腾传热模拟。通过阅读相关文献发现，目前，对壳程沸腾传热数值模拟的研究成果大多针对管壳式换热器，尤其是固定管板式换热器，对不同类型再沸器的壳程沸腾传热的研究相对较少。因此，笔者利用RPI壁面沸腾模型对再沸器单根换热管外围壳程流场的沸腾传热进行模拟，分析不同边界条件对体积含气率与沸腾传热系数的影响。

1 计算模型的选择

在同一流动系统中有两种相态的物质共同存在，且其中至少一种相态的物质是流体构成的流动系统，称之为两相流。随着两相物质流动的不断变化，气液两相物质的分布也在不断变化，两相流动的复杂性和随机性导致气液两相的相分界面形状也不断发生变化，因此，对两相流动的描述很难用精确的方程来表达，而目前常用的流体分析软件Fluent中有一些方法可以用来处理两相流。笔者所述的再沸器中两种相态的物质分别为水蒸气和液态水，是一种典型的两相流动。考虑到流动过程中两相物质的混合特点和所选模型的计算难度、计算精度，决定采用Fluent中处理两相流的欧拉模型来描述再沸器中的实际流动情况，同时保证计算结果的准确性。

欧拉模型模拟精度高、运算量大，可以用来描述气相、液相及固相等不同相态、不同组合的两相甚至多相流动。根据实际计算机硬件条件，笔者选择建立长2m，规格为φ19mm×2mm的单根换热管外围壳程流体模型进行模拟计算。换热管排列方式选择常用的正三角形排列，管间距取25mm，计算模型如图1 所示。利用ANSYS 在Workbench 模拟仿真环境中的网格划分工具Meshing，采用六面体结构网格对换热管几何模型进行网格划分。

图1 计算模型结构

在实际工程中，最具普遍性的流动形式是湍流，多相流中也不例外。用于流场分析计算的CFD软件（计算流体动力学）给出了不同的湍流模拟方法，笔者选用计算精度较高的RNG k-ε模型；沸腾模型选用RPI壁面沸腾模型；同时选用Ishii模型［12］来描述沸腾状态下相间的相互作用。

RPI模型［13］将加热壁面传递给流体的热通量qw分为蒸发传热通量qE、液相对流传热通量qc和在汽泡脱离处由于液体冲击壁面引起的激冷传热通量qQ，它们之间的关系为：

2 边界条件设置

2.1 介质参数

与大多数有机物、盐类的水解溶液相比，在相同的压力和温差条件下，水的传热系数要大很多，气液两相的相变效果在同等条件下也会更加明显。因此，笔者在计算时选用单组分液态水和高温饱和水蒸气作为气液两相物质；在模拟计算过程中，将饱和水蒸气温度设置为该蒸汽在饱和压力下的饱和温度；在两相流过程当中，设置第1相物质为液态水，第2相物质为水蒸气。给定温度下，液态水的物理性质参照表1，使用线性插值法计算不同温度下液态水的物性参数；温度为473.15K时，水蒸气的物理性质为密度7.86kg/m3、比热容2 989.5J/（kg·K）、热导率0.038 4W/（m·K）、标准摩尔生成焓50.353 9MJ/（kg·mol）、黏度156.663g/m·s、饱和压力1.554 8MPa；在计算模型的y轴方向即垂直换热管中心轴线向下的方向上置重力加速度，大小为-9.8m/s2。

2.2 边界条件的设置

在Fluent计算中，选择速度入口作为该流动系统的入口方式，设置出口方式为压力出口，同时假设出口边界处气液两相所处压力场为同一个压力场。假设该再沸器入口处液体的流动状态为湍流，并且已经经过充分发展，将入口处的参考压力设置为15atm（1atm=1.01×105Pa），在该再沸器的出口边界设置大小为0的表压。进出口处设置相同的湍流动能强度I和水力直径d。设置换热管壁面热通量恒定，加热以后壁面与气液两相之间均无滑移，其余面为对称面。

表1 液态水的物理性质

表2 边界条件输入参数

3 结果分析

3.1 换热管轴线方向体积含气率变化

给定入口速度为2m/s，温度为443.15K，热通量qw=200kW/m2，研究沿换热管中心轴线方向的体积含气率变化。图2给出利用面积加权平均求得的出口截面体积含气率分布云图，图3为该计算条件下，沿着该再沸器换热管中心轴线方向的体积含气率变化云图，出口截面的体积含气率分布云图中的气体主要呈现为暖色系，液体多表现为冷色系。

图2 出口截面体积含气率分布云图

由图3可知，随着水在壳程不断流动，其相态逐渐发生变化。经沸腾相变后，水蒸气不断向上运动，逐渐在壳程区域上方聚集，而液态水由于重力作用，分布于壳程区域下方。这是由于，随着流动的不断进行，换热管壁面温度不断升高，当壁面温度达到汽泡生成所需的过热温度时，汽泡产生。随着流动的不断进行，汽泡逐渐长大，长大到一定程度时，汽泡逐渐脱离换热管壁面，并随壳程流体继续流动，同时在液体中发生冷凝。随着壳程流体的不断流动，换热管壁面温度不断上升，汽化核心随之增多，进一步加快汽泡的产生速率，汽泡数量快速增加，主流液体温度持续提高，过冷度不断减小，壳程气体的含量随之增多。最终在云图中表现为沿着换热管中心轴线方向气体逐渐增多，在换热管出口截面气体含量达到最大。

3.2 热通量对出口截面体积含气率和传热系数的影响

图4给出入口速度为2m/s，温度为443.15K时，出口截面体积含气率随热通量变化关系曲线。由图可知，当其他条件不变时，出口截面体积含气率与热通量成正相关。因为汽化核心数目和换热管壁面的过热度随热通量的增加而增大，而过热度的增加会加快汽泡生成的速率，使得流体中的汽泡不断增加，气体含量也随之逐渐增加。

图4 出口截面体积含气率随热通量变化的关系曲线

由图5可知，当入口速度和温度不变时，传热系数与热通量成正相关，因为核态沸腾会随着热通量的逐渐增加而增强，与此同时汽泡数量也不断增加，因此液体受到的扰动效应也随热通量的增加而增强，最终表现为传热系数明显增加。

图5 传热系数随热通量变化的关系曲线

3.3 入口速度对出口截面体积含气率和传热系数的影响

设置入口温度大小为443.15K，热通量qw=600kW/m2不变，将入口速度从1.3m/s逐渐增加至2.2m/s时，研究入口速度对出口截面上体积含气率与壳程传热系数的影响。

图6、7分别给出出口截面体积含气率和传热系数随入口速度的变化趋势。由图6可知，出口截面体积含气率与入口速度成负相关。因为壳程流体中单相液体所占区域随入口速度的增大而逐渐变长，导致沸腾起始点逐渐后移，沸腾区域随之变小［15］。此外，液体温度与入口速度成反比，因此随着入口速度的增大，从换热管壁面脱离进入主流液体的汽泡加速冷凝，冷凝量也随之增加，与此同时汽化的液体量逐渐下降。由图7可知，当其他条件不变，入口速度逐渐增加时，传热系数不断增大。因为当壳程液体流动速度逐渐加快时，沸腾区域内汽泡从换热管壁面脱离的速度也随之加快，汽泡数目不断增多，壳程流体受到汽泡的扰动效应也不断增强，对流传热系数则逐渐增加。