错列正弦型微通道中超临界LNG 流动与换热分析

路 达 张引弟 吕国政 陈一航 李颖楠 辛 玥 钱昊楠

(长江大学石油工程学院 武汉 430100)

1 引言

根据美国能源情报署预测,自2012 年至2040年,全球能源需求量将提升48%。在能源需求量急速增长的前提下,天然气(NG)由于清洁、环保、高效等优势备受青睐。为满足天然的储存与运输,其常需要被液化,此过程存在大量热交换。因此,研究高效率的换热器对天然气的高效利用具有重要意义。1985 年,由英国Heatric 公司[1]提出的一种新型微通道换热器印刷电路板式换热器(Printed Circuit Heat Exchanger,PCHE),采用化学刻蚀和扩散焊接结合的方法制成。由于其耐高压、耐低温和结构紧凑等优点,作为研究超临界LNG 换热过程的换热器具有较高的可行性与研究价值,且常应用于浮式LNG 接收站热交换设备中。

目前,关于PCHE 中超临界流体流动与换热特性的研究工质主要为CO2和N2。Ngo 等[2]采用数值模拟研究了具有不连续S 型翅片PCHE 中超临界CO2的热工水力特性,并说明了翅片角度、翅片宽度等对微通道流动与换热性能的影响。李伟哲等[3]对直通道PCHE 中超临界甲烷加热过程的研究表明,其对流传热系数随温度呈先上升后下降的趋势,峰值出现在准临界点附近。Zhao 等[4]通过实验与数值模拟的方法对超临界氮在PCHE 冷侧的流体进行数值处理,并分析了对流传热系数及范宁摩阻系数的影响因素,如入口压力及质量流量。Bai 等[5]对不同热流密度和操作压力时,正弦波微通道中超临界LNG 的流动和传热特性分析,以得到超临界LNG 在正弦波微通道中的流动和换热机理。

为强化液化天然气在PCHE 中的换热性能,提出周期性波动强化综合换热性能的错列正弦型微通道,研究的流体状态为湍流。考察了错列正弦型微通道和光滑直通道下,质量流量、热流密度和入口压力对摩擦因子、对流传热系数和PEC的影响。此外,结合场协同原理[6-7],提出场协同率对错列正弦型微通道内超临界LNG 的局部综合换热规律进行研究,并将其与PEC进行对比分析。场协同角以FLUENT-UDF的方式计算。

2 数值模拟

2.1 超临界LNG 热物理特性

LNG 的临界压力和临界温度分别为4.59 MPa和190.56 K,本文研究的LNG 压力分别为7.5 MPa、9.0 MPa 及10 MPa,为超临界压力。温度变化处于121—345 K,因此研究的液化天然气处于广义的超临界状态,即液化天然气在此压力和温度范围内以单液相的形式流动。超临界LNG 的热物理性质参数取自美国国家标准研究院开发的REFPROP 软件。图1 为从REFPROP9.0 中获取数据,并拟合3 种操作压力下超临界LNG 的热物性曲线。通过用户自定义函数(UDF)对FLUENT 中流体介质的热物性参数进行定义。

2.2 数值方法

文献[8]研究发现SSTk-ω模型对超临界流体介质数值计算的准确性较高,因此采用该湍流模型计算。数值计算采用Fluent17.0 中的SIMPLE 算法,采用QUCIK 格式对动量方程求解,并采用二阶迎风格式对其它方程求解。当残差达到10-6,且进出口压差与温差保持稳定时,则计算收敛。

2.3 物理模型和边界设置

由于模拟流体在整个PCHE 中的流动与换热精度难以达到,研究模型简化为单通道。其模型横截面为2 mm ×1.75 mm,流体通道为1.5 mm 直径的半圆形,如图2a。为研究不同热流密度、质量流量及入口压力对错列正弦型微通道中超临界LNG 的流动与换热特性的影响,对5 组质量流量、3 组入口压力及3组热流密度工况模拟计算。通道以20 mm 为单位分为20 个节距,以Nj表示,如图2c,其正弦型中心轴线轨迹方程如式(1)。

图2 模型视图与边界设置Fig.2 Section view of channel and boundary setting

式中:x=0—20,…,360—380。

此外,研究作假设如下:(1)忽略轴向导热。(2)在流动中压降变化相对较小,可认为超临界LNG 物性只受温度影响。(3)忽略通道和环境间的热量损失。入口边界为质量流量,出口边界为压力出口。上、下壁面施加等热流密度,左、右壁面绝热。模型网格划分采用ANSYS Workbench 的网格划分软件mesh,并对流体边界层进行加密设置,如图3。

图3 模型的局部网格Fig.3 Local mesh of model

为平衡数值求解的计算精度和效率,模型在入口压力为10 MPa、热流密度为135 kW/m2、质量流速为311.3 kg/(m2·s)时进行网格无关性验证,进出口的温差和压降与网格数的关系如表1,综合考虑,模型采用的网格数量为7 147 554。

表1 网格无关性验证Table 1 Independence verification of grid

2.4 数据处理方法

超临界LNG 在错列正弦型微通道的流动换热特性采用对流传热系数(HTC)、摩擦因子f和综合换热性能评价因子PEC[9]进行评估;各节距局部参数用下标j区分,采用式(2)求解半圆形流道的水力直径。

式中:S为流道横截面积,l为流体横截面湿周。

局部平均对流传热系数h定义为:

式中:qj为局部平均热流密度,Tjw为局部壁面平均温度,Tjf为局部流体平均温度。

局部平均努塞尔数Nu定义为:

式中:λjf为局部流体平均导热系数。

局部平均摩擦因子f定义为:

式中:ΔP、Lj、uj分别为压降、流道长度和平均流速。

局部综合换热性能评价因子PEC定义为:

式中:下标Z、S 分别代表直流道和错排正弦型微流道。

为分析超临界LNG 在错列正弦型微通道内局部综合换热规律,结合场协同原理[6-7],从三维角度对场协同角局部积分,将速度/温度场协同角与速度/压力场协同角的余弦值作比,以此提出评价局部综合换热性能的参数场协同率,其表征参数ω定义如式(7)。

式中:α、β分别为速度/压力场协同角和速度/温度场协同角。

2.5 模型验证

为验证模型的精确性,结合文献[4],边界条件均与文献实验条件一致,以超临界氮为介质,模型为520 mm 长的直通道。3 组入口压力下的模拟值与实验值对比显示,温差与压差的误差处于合理的范围,因此计算模型及物理模型具有较高的精度。

表2 模拟值和实验值的相对误差Table 2 Relative error between simulation value and experimental value

3 模拟结果和分析

3.1 热流密度对错列正弦型微通道中超临界LNG的流动与换热特性的影响

质量流量311.3 kg/(m2·s),压力10 MPa 的工况下,不同热流密度时各节距流体的平均温度如图4所示,其超临界LNG 的准临界温度约为219 K。图5展示不同热流密度下各节距的局部对流传热系数变化曲线。分析发现,不同热流密度,对流传热系数的变化趋势基本一致,随温度先增加后降低。结合图4发现,对流传热系数峰值与准临界温度处于相同节距,即在准临界温度点处达到极大值。热流密度越大,相对应的对流传热系数越大,这表明热流密度的增大有利于对传热系数的提高。以错列正弦型通道(图中简称S)为例,热流密度由75 kW/m2提升到105 kW/m2时,对平均流传热系数和总压降分别提高9.37%和30.32%。

图4 不同热流密度流体温度Fig.4 Fluid temperature at different heat flux densities

图5 不同热流密度沿流向的变化规律Fig.5 Variation of heat flux densities h along flow direction

图6 显示,相同节距处,摩阻因子随热流密度的上升而下降。另外,结合式(5),流体质量流量一定时,流体密度随着温度的升高而下降,沿流动方向流速的增大导致摩阻因子的降低。相较于直通道,正弦型通道提高换热效果的同时,压降占主导地位,而正弦型与直通道相间共存,因此错列正弦型通道的摩阻因子呈周期性下降趋势。

图6 不同热流密度沿流向的变化规律Fig.6 Variation of heat flux densities f along flow direction

3.2 质量流量对错列正弦型微通道中超临界LNG的流动与换热特性的影响

以压力10 MPa、热流密度75 kW/m2工况为例,不同质量流量对超临界LNG 在错列正弦型微通道与直通道的局部对流传热系数及摩阻因子对比如图7、图8。局部对流换热沿流向先上升后下降,其峰值出现在准临界点附近,这表明超临界LNG 的热物性随温度而变化,对流传热系数与比热容的变化趋势相似。流量为311.3 kg/(m2·s)时,节距N11处的局部对流传热系数较节距N2处的局部对流传热系数提高36%,同时摩阻因子下降2.3%。另外,由于入口效应,在节距为N1时,其对流传热系数较大。

图7 不同质量流量h 沿流向的变化规律Fig.7 Variation of mass flow h along flow direction

图8 不同质量流量f 沿流向的变化规律Fig.8 Variation of mass flow f along flow direction

图9 为质量流量311.3 kg/(m2·s)时相同位置处,正弦型和直通道的速度云图。对比直通道,由于正弦波的存在,流体湍流剪切作用增强,对流换热能力提升。错列正弦型微流道内超临界LNG 对流传热系数得到强化,湍流作用随质量流量的增加而提高,因此,随着质量流量的提高局部对流传热系数则显著增大。以整个错列正弦型微通道为例,当质量流量增大1.67 倍时,对流传热系数提高30.8%,摩阻因子下降11.1%。

图9 流道横截面的速度矢量图Fig.9 Vector cloud diagram of cross section of runner

3.3 入口压力对错列正弦型微通道中超临界LNG的流动与换热特性的影响

在质量流量311.3 kg/(m2· s),热流密度75 kW/m2的情况下,入口压力对流动与换热特性的影响的变化规律如图10。在准临界点之前,由图1可知,入口压力对导热系数和比热影响较弱,这导致局部对流传热系数受入口压力的影响无明显变化。超临界LNG 温度在准临界点后,入口压力对局部对流传热系数具有较大影响,这是由于在准临界点附近,入口压力对比热有较大影响。

图10 不同入口压力h 沿流向的变化规律Fig.10 Variation of inlet pressure h along flow direction

图11 显示各节距处局部摩阻因子随不同入口压力的变化曲线,结果表明,随着压力的提高,摩阻因子略有下降。另外,沿流动方向,其值降低,这由于流体密度随着温度升高而下降,流速增大。以质量流量为311.3 kg/m2、7.5 MPa为例,整个错列正弦型微通道中,超临界LNG 在正弦型通道较相间直通道流动的平均局部摩阻因子提高31%,这表明提高换热性能的同时,必然存在流动的恶化。

图11 不同入口压力f 沿流向的变化规律Fig.11 Variation of inlet pressure f along flow direction

3.4 错列正弦型微通道中超临界LNG 局部综合换热规律研究

结合前3 节发现,超临界LNG 的换热性能强化的同时,摩阻因子逐步降低,且由于正弦型通道与直通道错列排布,因此综合换热性能难以评估。以入口压力10 MPa 和热流密度75 kW/m2下不同质量流量为例,将PEC和场协同率ω对局部综合换热性能评价进行对比分析,如图12。

图12 各节距处不同质量流量下的PEC 和ωFig.12 PEC and ω of different mass flow rates at each pitch

结果发现,节距为奇数时,局部ω基本小于1.0,主要由于在正弦型通道内湍流剪切作用增强,流体边界层产生分离现象,速度/压力场的协同性高于速度/温度场的协同性;节距为偶数时,相较于单一直通道,流体以较为强烈扰动状态由前节正弦型通道进入相邻直通道(图9 为论据),且速度/温度场的协同性优于速度/压力场的协同性,因此局部ω均大于1.0。以质量流量414.3 kg/(m2·s)、621.4 kg/(m2·s)工况为例,总平均ω分别约为1.026 和0.989。各节距ω值与PEC值的变化趋势大体相同,且呈周期波动式变化,因此,场协同率概念对评估流体综合换热特性具有一定的研究意义。

4 结论

采用数值模拟对错列正弦型微通道内不同工况下超临界LNG 的流动换与热特性进行分析,并结合场协同原理对局部综合换热效能进行评价,结论如下:

(1)超临界LNG 在准临界温度附近比热剧烈变化,局部对流传热系数沿流向先增大后减小,峰值出现在准临界温度所处节距。随着流体换热的进行,密度的降低伴随流速的增高,摩阻因子沿流向呈下降趋势。

(2)对流传热系数随质量流量和热流密度的增加而提高,摩阻因子与二者呈负相关,相比而言,提高质量流量对换热性能的提高更加明显。对流传热系数受压力的影响幅度与节距位置(温度区间)有关,其值在准临界点附近受入口压力影响较大。

(3)相较于直通道,错列正弦型通道在各节距处的对流传热系数均有提升。由于正弦型通道和直通道的错列排布,摩阻因子呈周期性下降趋势。

(4)结合场协同率ω,质量流量一定范围的增大有利于综合换热性能的提高;利用ω值与PEC值对综合换热性能的评估结果趋势大体一致,且呈周期性波动变化。