LNG绕管式换热器壳侧换热特性研究

吴 晓

(山东石油化工学院，山东 东营 257061)

绕管式换热器主要应用于陆上大型天然气液化厂，为了满足不断发展的天然气液化工艺要求，绕管式换热器的液化能力逐渐增大。国内外对其换热特性的研究也越来越深入。本文通过数值模拟，明确不同运行工况对LNG绕管式换热器壳侧换热特性的影响。

1 绕管式换热器的基本结构和研究现状

图1 绕管式换热器剖面结构示意图Fig.1 Sectional structure of wound heat exchanger

绕管式换热器是管壳式换热器的一种，是一种紧凑高效新型换热器，具有一定的温度自补偿能力，单位换热面积大，换热效率较高，可实现多股流换热。绕管式换热器主要由换热管、壳体、垫条及芯部金属管组成，如图1所示。

浦晖等[1]对绕管式换热器指出天然气预冷、液化、过冷等过程的热问题和温度关系难以准确模拟与计算等问题；吴志勇等[2]对LNG绕管式换热器壳侧过热态进行了数值模拟的研究，总结出绕管式换热器具有?倎结构紧凑，单位容积具有较大的传热面积?偉f抗高压等优点；贾金才[3]对影响换热管传热特性的几何参数做了大量的研究，指出：管径越小、径向比越小、轴向比越大时换热效果越好；径向比越小对换热越好，但是当径向比小到一定程度时，对换热的影响将不显著；尹接喜等[4]对缠绕管换热器并管传热模型做了大量的实验，对并管管壁微元段建立热平衡方程，提出了多流体缠绕管换热器的并管传热模型；张高鹏等[5]建立了多股流绕管式换热器的三维模型，在用FLUENT进行数值模拟时，得出结论：每股流体的Nu数和单位管长压降随着层数或换热管外径的增加而逐渐增大、随着中心筒直径的增加而逐渐增大；李琴等[6]对三层绕管式换热器进行了数值模拟研究，得出结论:换热管直径增大，入口速度增大，缠绕角度增大都可使传热系数K增大，但达到一定数值后效果不明显；季鹏[7]通过计算不同结构参数下绕管式换热器的壳侧结构因子和管侧传热系数，得出结论:降低垫片厚度,减小绕管轴向间距和缠绕角度都可使绕管式换热器壳侧换热显著增强。但保持雷诺数不变，增加绕管内径，管侧传热系数减小。

吴金星等[8]分别建立了不同绕管式换热器模型，传热系数随管间距的增大而增大。Lu等[9]以通过数值模拟的方法，研究结果表明，绕管式换热器壳侧Nu数和压降随换热管外径、换热管层数和中心简直径的增大而增大，但随换熬营问距和换热管层间距的增大面减小；魏江涛等[10]得出了以下结论：管径越大，传热系数越小。径向比越大，传热系数越小。在允许的情况下，适当的增加扰度对换热有促进作用；郑州大学[11]对螺旋缠绕管换热器的传热性能做了大量的数值研究。在此基础上提出了螺旋缠绕三叶管和螺旋缠绕椭圆管的新结构；陆星等[9]对不同边界条件下多层绕管式换热器的换热性能做了大量的研究。

2 壳侧模型的建立

2.1 物理模型描述

绕管式换热器壳程由2～5 mm厚的带状金属条分隔开，对流动有影响并有利于强化传热，但其效果并不明显，但是由于垫片的存在，在划分网格时，导致网格数量急剧增长，并最后导致计算无法进行，并且垫片的存在只起到支撑作用，因而在建立模型时，忽略垫片的存在，只保留绕管与绕管间的距离，用SolidWorks建立几何模型，如图2所示。

图2 绕管式换热器非结构网格几何模型Fig.2 Unstructured grid geometric model of wound heat exchanger

2.2 数学模型描述

连续性方程：

(1)

(2)

(3)

动量方程：

(4)

能量方程：

(5)

式中：keff为是有效热传导率；SE为体积热源。

3 壳侧数值模拟及分析

3.1 不同雷诺数下壳侧流体流动传热特性

如图3所示通过计算结果可以轻易地看出在Re不断增大时，Nu随之增大，换热效果得到了增强，但当Re增大到一定程度时，壳侧低温冷剂的换热作用则增长较慢。在雷诺数较小时，增大雷诺数会导致壳侧低温冷剂与绕管的接触更加的充分，因而换热效果会不断地增强，但是当雷诺数很大时，雷诺数将不再是影响换热效果的一个很重要的因素，因此，在增大壳侧低温冷剂入口雷诺数时并不能使换热效果明显增强，变化将趋于平缓。因而在绕管式换热器进行换热实验时，采用合适的流速对换热效果是十分重要的。

图3 努塞尔数变化情况Fig.3 Change of Nusselt number

3.2 不同干度下壳侧流动特性

如图4可以很直观的观察到，当壳侧低温冷剂的干度增加时，绕管式换热器壳侧的换热效果逐渐的变差。经过分析，当干度不断增大时，气相轻组分所占比重会相对降低，因而，换热效果会有所削弱；再者，当干度不断增大时，气相组分所占的比重会越来越大，而气相组分的存在则会对流体产生扰动，从而使壳侧低温冷剂与螺旋绕管进行换热时，低温冷剂不能充分的与管侧进行换热，从而导致换热效果不有所削弱。

图4 努塞尔数变化情况Fig.4 Change of Nusselt number

3.3 倾斜状态下不同雷诺数的数值模拟

在5°、10°、15°、20°、25°、30°固定倾角下，雷诺数对绕管式换热器壳侧换热的影响，如图5所示，倾斜工况工况与竖直工况相比较，在低雷诺数时，在倾斜工况下壳侧的换热效果更为的优越；而随着雷诺数的增长，两种工况的换热差距将不断缩小。分析结果如下：在倾斜工况下，这种特殊结构对于物流分配的影响较小；另外，可能是由于这种特殊工况下不会导致局部的换热过度或换热不足。再者，当雷诺数很大时，雷诺数对换热效果的影响将比较的微小，因而增大雷诺数换热效果将不会产生很大的变化。

图5 努塞尔数变化情况Fig.5 Change of Nusselt number

3.4 倾斜状态下不同干度的数值模拟

图6 努塞尔数变化情况Fig.6 Change of Nusselt number

在不同干度下，倾斜和竖直两种工况下对壳侧换热进行定量分析，如图6所示，随着壳侧入口干度的增加，绕管式换热器壳侧换热效果不断地削弱。并且倾斜工况与竖直工况下相对比，在倾斜工况下，绕管式换热器的换热效果更好，经过分析，认为随着壳侧低温冷剂与换热管的换热，伴随着相变的发生，而在入口条件干度不断增大时，轻组分所占的比重会不断降低，因而，干度越大时，换热效果却会削弱；再者，当干度不断增大时，气相组分所占的比重会越来越大，而气相组分的存在则会对流体产生扰动，从而使壳侧低温冷剂与螺旋绕管进行换热时，低温冷剂不能充分的与管侧进行换热，从而导致换热效果不有所削弱。

4 结 论

通过数值模拟与分析计算的方式，研究了雷诺数、干度以及倾斜角度对绕管式换热器壳侧换热的影响，得出了以下结论：

(1)在倾斜状态下壳侧的低温冷剂低温冷剂能更加充分的与绕管进行换热，因而在生产实践中，可以适当的增加绕管式换热器的倾斜角度；

(2)在干度一定时，随着雷诺数的增加，绕管式换热器壳侧换热效果会不断地增强，但是雷诺数增加到一定程度，雷诺数将不再是影响换热效果的重要因素，因而，采用合适的流速对换热效果十分重要；

(3)在雷诺数一定时，随着干度的增加，绕管式换热器的换热效果会不断的削弱。当干度增大到一定数值，导致换热效果不有所削弱。