基于超临界天然气的PCHE流动传热特性数值模拟_郭志芳.pdf

收稿日期：。作者简介：郭志芳，女，年毕业于大连理工大学化工设备与机械专业，学士，主要从事海洋及陆地油气开采工程、石油化工、炼化工程的成套设备的总体工艺和机械设计工作，高级工程师，现任中国海油海洋石油工程股份有限公司机械首席工程师。：。基金项目：国家发改委科研课题 陵水半潜式生产平台研究专项，项目资助（）。基于超临界天然气的 流动传热特性数值模拟郭志芳，张晓慧，李方遒，于真真，密晓光（海洋石油工程股份有限公司，天津 ；中海石油气电集团有限责任公司技术研发中心，北京 ）摘要：印刷电路板式热交换器（）是一种基于化学蚀刻和扩散连接的微通道热交换器。应用于国内海洋石油平台时，常出现换热介质为超临界天然气的情况。为了探究不同介质流速、不同介质组分、不同板片结构对换热器流动传热特性的影响，采用 软件对天然气超临界流体物性、流动传热特征参数进行了系统分析。计算结果表明：流速对换热器的流动传热特性影响最为显著，其对流换热系数随流速升高呈线性升高趋势；通道直径为影响换热器流动传热特性的第二大因素；不同介质组分、不同板片厚度和不同通道间距对换热介质的范宁摩擦因子和平均表面对流换热系数影响可忽略不计。该研究成果可为未来 工艺设计提供理论指导。关键词：印刷电路板式热交换器 超临界天然气数值模拟换热器 ：是基于化学蚀刻和扩散连接的微通道热交换器【】，具有结构紧凑，高效，适用于高压、高低温等苛刻条件的特点，已成为海洋油气领域的首选热交换器【】。目前国内对 的研究主要集中在超临界 和核电领域【】，缺乏对超临界天然气系统的流动传热特性研究，在换热器工艺设计中只能凭经验值选取合适的流速，确定天然气流道结构尺寸，缺乏设计依据。为此，采用 有限元软件，建立 流动传热计算有限元模型，评估不同影响因素下换热芯体的流动传热特性。计算模型与验证验证模型以国内某海洋平台在用 （以下简称工程样机）作为验证模型，对不同的湍流模型、网格数量等影响因素进行验证计算，以确定后续计算模型最佳计算参数。根据该海洋石油平台工艺条件，为满足其换热压降要求，首次提出对扣型 设计理念。对扣型 板片芯体结构见图。图中为通道直径，为通道间距，为板片厚度，为通道中心间距。中，冷 侧介质 流道 是 通 过片完全镜像的蚀刻板片对扣在一起形成的类圆形微通道，热侧介质流道是由片蚀刻板片在同一法线方向叠加形成的半圆型微通道。图对扣型 芯体局部剖面结构 由 于 芯 体 是 中 心 对 称 结 构，可 取 芯体中个控制单元作为研究对象，其流动传热特性具有典型代表性；选用 软件对几何模型进行网格划分，为了确保计算精度以及能够准确捕捉边界层的流动状态，需要对边界层网格进行加密处理，设置直通道壁面的第一层边静设备石 油化工设备技术，（）界层网格高度为 ，增长因子为，共计划分层边界层网格。结构化网格质量均在以上，其中网格质量在以上的网格数量占网格总数的，为反映整个 芯体的流动换热特性，模型上下个面和左右个面将设置为周期性边界。流体和固体交界面为耦合边界。具体结构如图所示。图验证模型网格划分验证模型计算结果对验证模型开展网格数量无关性验证，综合考虑网格节点密度、边界层层数、近壁面层网格高度等，共划分了组网格，网格数量分别为万、万、万、万和 万，网格无关性验证计算中只改变网格数量，其他计算参数保持不变，计算结果如图所示。由图可见，网格数量 万时，出口温度和通道压降变化趋势基本稳定，因此为了节约计算资源和提高计算效率，选择网格数量为 万的物理模型开展湍流模型验证。根据软件和实验测试结果，可得到该控制单元真实边界数据，如表所示，后续湍流模型计算结果将以表数据作为验证依据。综合考虑 芯体的流动介质、流速、流道结构等流动特性，共筛选出 种湍流模型进行验证计算，其编号见表，计算结果汇总如图所示。图网格无关性计算结果表验证模型真实边界条件数据介质入口温度入口压力 出口温度出口压力 甲烷 冷却水 表湍流模型编号编号湍流模型 模型 标准壁面函数 模型 增强壁面函数 模型标准壁面函数 模型增强壁面函数 模型 标准壁面函数 模型 增强壁面函数 模型 模型 雷诺应力图湍流模型验证计算结果计算结果表明：增强壁面函数模型与实测真实数据吻合较好，误差范围可控制在 以下，具有较强的可靠性和可信性。计算模型根据海洋平台某超临界天然气用 工程样机进行建模，如图所示，冷热流体均为半圆形流道，冷流体介质为冷却水，热流体介质为超临界天然气混合物，固体材料为不锈钢，通道左右为周期性对称边界，上下侧为周期性边界，天然气和冷却水入口边界条件为速度入口，天然气和冷却水出口边界条件为压力出口，冷热流体逆流换热。石油化工设备技术 年图计算模型网格划分临界天然气物性纯甲烷的临界温度和临界压力为 和 ，考虑到介质的实际工作压力为 ，以临界压力为分割点，选取、和 个压力点作为研究对象，采用 软件对 的温度区间进行模拟计算，提取后续模拟计算中所需的物理性质进行汇总，如图图所示。图不同压力下的天然气混合物温度密度曲线图不同压力下的天然气混合物温度导热系数曲线超临界天然气混合物的物性参数主要受温度和压力的影响，工作温度区间内介质物性是随温度变化的单调函数，且物性变化相对平稳。其中粘度参数几乎保持不变，因此粘度可视为常数。为了准确获得工作温度区间内超临界流体的其他物性参数，将工作压力下的物性参数进行多项式拟合，如表所示。图不同压力下的天然气混合物温度比热曲线图不同压力下的天然气混合物温度粘度曲线表工作压力下天然气混合物物性参数随温度变化多项式函数物性多项式拟合密度 比热 导热系数 粘度常数 注：温度，；拟合相关系数。流动与换热特性相关影响因素分析对直通道 而言，影响其流动与换热特性的参数有介质流速、介质组分、热流密度和通道结构参数等。通过提取计算结果中流体平均温度、壁面温度、壁面热流等数据，计算得到努塞尔数、范宁摩擦因子、对流传热系数等流动换热特征参数，并据此进行 的传热特性分析。基准边界条件如表所示。第 卷第期郭志芳等基于超临界天然气的 流动传热特性数值模拟表边界条件设置位置速度（）压力 温度天然气入口 出口 冷却水入口 出口 介质流速对流动传热特性影响分析本节重点探讨介质流速对流动传热特性的影响，因此通道结构参数、热流密度和介质组分与工程样机参数保持一致，以冷侧水和热侧天然气流速作为研究变量，水侧流速研究范围在之间，天然气侧流速研究范围在 之间。图 为不同流速组合下天然气侧和水侧的范宁摩擦因子。从图 中可以看出：范宁摩擦因子只与该通道介质的流速有关，介质流速越高，该值越小。说明随着流速增加，流体在壁面处的剪切力有所降低，因此当流速增大时，虽然沿流道整体压降会升高，其升高速率却会有所降低，最终趋于条直线。图 不同流速下的范宁摩擦因子图 为不同流速组合下天然气侧和冷却水侧的平均表面对流换热系数。随天然气流速升高，其平均表面对流换热系数大幅增高，当天然气流速为 时，其平均表面对流换热系数与水侧相当，这是由于当流速显著增加时，会使得雷诺数提高，流动的边界层变薄，从而导致通过对流换热引起的冷热流体温度交换增强，其增强效果逼近线性增长趋势。图 不同流速下的平均表面对流换热系数介质组分对流动传热特性影响分析本节重点探讨介质组分对流动传热特性的影响，因此通道结构参数、热流密度和介质流速与工程样机参数保持一致，以热侧天然气组分作为研究变量，共设组工况，工况为实际天然气混合物组分，工况为纯甲烷，工况为纯丙烷，工况为甲烷和乙烷混合物（配比为），工况为甲烷、乙烷和丙烷三元混合物（配比为）。图 为不同天然气介质下气侧和水侧的表面对流换热系数。由图 可以看出：换热介质密石油化工设备技术 年度越大，换热系数越高。这是因为密度越大，单位质量流体携带热量的能力越强，因此换热系数有所提高；不同天然气介质组分对范宁摩擦因子影响较小，可忽略，数值浮动范围可控制在 以内。图 不同天然气组分下的平均表面对流换热系数板片结构参数对流动传热特性影响分析本节重点探讨板片结构参数对流动传热特性的影响，因此通道结构参数、热流密度和介质流速与工程样机参数保持一致，以通道直径、通道间距和板片厚度作为研究变量，共设 组工况，其中，通道直径研究工况分别选取、和，通道间距研究工况分别选取、和，板片厚度研究工况分别选取、和。图（）图（）为天然气和冷却水出口温度分布云图。由图（）图（）可以看出：通道直径越小，天然气侧出口温度越低，内部流体温度均匀性越好；随着通道直径增大，流体内部交替出现高温和低温核心区域。图 不同通道直径下天然气和冷却水出口温度计算结果表明：不同通道间距和不同板片厚度条件下，范宁摩擦因子和平均表面对流换热系数变化范围可控制在以内，工程实际中其影响可忽略不计，重点讨论不同通道直径对流动换热特性的影响。图 和图 分别为不同板片结构下天然气侧和冷却水侧的范宁摩擦因子和平均表面对流换热系数，水侧不同通道间距与不同板厚条件下换热系数变化规律曲线重合。由图 和图 可以看出：范宁摩擦因子和平均表面对流换热系数均随通道直径增大而减小，水侧的范宁摩擦因子比天然气侧敏感，而气侧的对流换热系数比水侧敏感。通道表面热流密度和温差共同降低是造成此现象的原因。图 不同通道直径下的范宁摩擦因子第 卷第期郭志芳等基于超临界天然气的 流动传热特性数值模拟图 不同通道直径下的平均表面对流换热系数结语本文针对印刷电路板式换热器应用于海洋石油平台时换热介质为超临界天然气的情况进行了不同介质流速、不同介质组分、不同板片结构对换热器流动传热特性的影响分析，主要研究结论如下：）印刷电路板式换热器由于其通道微小紧凑，天 然 气 侧 表 面 对 流 换 热 系 数 可 达 （），约为同换热负荷管壳式换热器表面对流换热系数的 倍。）对于超临界天然气混合物，其工作压力越高，物性变化越平缓，越有利于提高流动换热仿真精度，工艺流程设计中应尽量避免其工作压力和工作温度趋于拟临界点。）对于不同流速的换热介质，其范宁摩擦因子随流速升高而降低，且降低速率呈抛物线状逐渐趋于平缓；其对流换热系数随流速升高呈线性升高趋势，且流速对换热器的流动传热特性影响最为显著。换热器工艺设计中应综合考虑允许压降，选取合适的介质流速。）不同介质组分、不同板片厚度和不同通道间距对换热介质的范宁摩擦因子和平均表面对流换热系数影响范围可控制在 以内，如选用本文研究范围内的参数，工程设计中可不考虑该因素。）通道直径为影响换热器流动传热特性的第二大因素，范宁摩擦因子和平均表面对流换热系数均随通道直径增大而减小，水侧的范宁摩擦因子比天然气侧敏感，而气侧的对流换热系数比水侧敏感。参考文献：路达，贺翔，张引弟，等 正弦波微通道 中超临界 流动换热研究 低温与超导，（）：陈永东，于改革，闫永超，等 中印刷电路板式换热器换热性能的试验研究 天然气工业，（）：李明海，王瑶，郭超，等高压印刷电路板热交换器芯体结构参数的优化 化工机械，（）：史美琦，李悦，王悦，等 微通道内超临界甲烷流动与换热特性数值模拟 节能技术，（）：，王宇桐，张思缘，刘思敏，等 打印电路板式换热器流动与传热数值模拟研究北京石油化工学院学报，（）：张海燕，郭江峰，淮秀兰，等 内轴向导热对局部换热性能的影响研究化工学报，（）：谢丽懿，李智强，丁国良 用印刷板路换热器技术特点及发展趋势化工学报，（）：，（）：刘贵军，陈德奇，胡练，等基于 方法的 窄小流道内超临界 流动传热特性数值研究核动力工程，（）：于改革，陈永东，李雪，等印刷电路板式换热器传热与流动研究进展流体机械，（）：，（），（）：，：，（）：，：汤寿超 直通道 内超临界流体流动与传热特性数值模拟研究 哈尔滨：哈尔滨工业大学，石油化工设备技术 年书书书 ，（，）：，：；，（.，.，；.，）：（），：（）；（，）：，：；，（.，）：