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相变换热混合工质板翅式换热器流动与传热数值模拟点击：1906 日期：[ 2014-04-26 22:05:48 ] |
| 相变换热混合工质板翅式换热器流动与传热数值模拟 曲乐1,贾林祥2 (1.中国空空导弹研究院,洛阳471009;2.哈尔滨工业大学低温与超导技术研究所,哈尔滨150001) 摘要:采用由SRK方程计算得出的混合工质物性参数,将具有相变两相流体物性分三部分处理,得出混合工质 分段物性数据拟合曲线,并输入FLUENT软件的材料物性数据文件中,作为数值模拟物性参数数据。在上述物性 数据处理的基础上,对混合工质天然气液化装置中换热器采用分段方式进行稳态数值模拟研究,得到沿长度方向 一定温度下传热系数、压力梯度的变化曲线。通过与MUSE软件数据比较,计算结果有一定合理性,所得结论为有 相变换热的混合工质低温板翅式换热器的设计和优化提供一定参考。 关键词:低温传热;混合工质;相变换热;板翅式换热器;数值模拟 1 引言 热交换器是一类广泛运行的重要设备,应用 于混合工质节流制冷技术的换热器,是具有相变 传热的热交换器,较之一般情况下的逆流热交换 器又有其独特之处。其工作过程十分复杂,热物 性不仅变化剧烈,而且难于准确确定,沸腾和凝结 的实验工作实现起来也比较困难,而且对于各种 配比及组分都不同的混合物,更不可能一一做实 验来研究,从这一点来说,数值模拟就具有较大的 优势[1]。因此本文对具有相变传热的换热器做 了数值模拟,从而可以使我们对混合物工质的热 交换器的工作状况能有一个大致的了解,以指导下一步的实验工作,提高其工作效率。 2 换热器模型建立 2.1 板翅式换热器模型分析 板翅式换热器板束结构及翅片形式如图1、 所示。板翅式换热器的芯体结构复杂,不仅需要 合理的几何简化模型和计算模型,而且还需要足 够的计算机硬件条件和计算时间。换热器整体数 值模拟几乎是不可能的。本文在上述物性数据处 理的基础上,对混合工质天然气液化装置中换热 器采用分段方式进行稳态数值模拟研究。 2.2 建立模型 本文对某型号换热器进行数值模拟研究。换 热器的尺寸为:140mm×200mm×2500mm。16通 道,包括打孔型、锯齿型两种翅片;四种流体,气液 两相。四种流体是由混合工质(C1~C5,N2,O2)组成的气液两相混合物。对换热器整体进行分段 数值模拟。对每一个翅片周期、长度为12mm(即 长度方向上4个周期单元)的翅片进行了模拟计 算。建立了换热器流固耦合模型。 3 网格划分 采用四面体非结构网格,网格单元数401207。 翅片部分网格图如图4所示。 4 物性计算、边界条件与计算求解 4.1 低温混合物两相流物性计算 天然气的基础物性数据分为热力学性质与迁 移性质。近年来对热力学性质的研究有了很大进展,采用状态方程可以较准确地预测混合工质的 热力学性质。迁移性质压缩机、换热器设计所必 需的物性参数,在涉及动量、热量和质量传递计算 的场合发挥着重要作用[3]。 天然气迁移特性是天然气传热和流动阻力计 算的关键数据,在模拟与天然气输送、液化、储存 相关的生产过程时,需要有能应用于烃混合物及 过程条件的范围很大的迁移性质关联式。天然气 液化流程中不可避免地存在着流体的流动、不同 工质间的传热传质问题,为了更合理有效地发挥 各流程设备的作用,需要了解天然气在不同工况 下的流动和传热传质特性,而这些也需要有精确 的天然气迁移物性数据作为保证。本文采用由 SRK方程计算得出的混合工质物性参数,将具有 相变两相流体物性分三部分处理:(1)泡点以下 直接采用SRK方程计算出的物性参数;(2)两相 流体区域物性采用平均方法计算;(3)露点以上 直接采用SRK方程计算出的物性参数。最后得 出混合工质分段物性数据拟合曲线,并输入FLU-ENT软件的材料物性数据文件中,作为数值模拟物性参数数据。 4.2 边界条件与计算求解 边界条件:压力进口,压力出口;侧面为对称 边界,盖板外部面为恒温边界,流固接触面为壁面 边界的耦合类型。各段具体边界条件根据MUSE计算结果给定。在求解过程中,当连续性方程、动 量方程和能量方程中变量的残差均不发生变化 时,认为计算收敛。 5 计算结果分析与验证 5.1 计算结果分析 由图5~10可知,在130K<T<147.94K的 范围内,A流体为液相,在147.94K<T<168K范 围内A流体为气液两相。从A流体通道传热系 数数值模拟结果可以看出,传热系数随温度增加在温度147.94K左右突然降低;压力梯度总体上 随温度升高而增加。 由图11、12可知,在130K<T<140.63K的 范围内,B流体为气液两相,在140.6K<T<168K 的范围内,B流体为气相。从B流体通道传热系 数数值模拟结果中可以看出,传热系数随温度增 加先降低后增加;压力梯度随温度升高而增加。 由图13、14可知,C流体为气液两相流体 从C流体通道传热系数数值模拟结果中可以看 出,传热系数随温度增加而降低;压力梯度随温度 升高先增加,在温度为160K左右开始降低。 D流体通道传热系数、压力梯度见图15、1 D流体为气相。从D流体通道传热系数数值模拟 结果可以看出,传热系数与压力梯度均随温度增加而增大。 5.2 数值计算结果验证与误差分析 5.2.1 数值计算结果验证 软件MUSE是目前国际上较通用的换热器设 计仿真软件,现将数值模拟结果与MUSE软件数 据进行比较。 A流体通道换热系数和压力梯度数值模拟结 果与MUSE软件数据比较如图17、18所示:在液相 区(130K<T<147.94K)传热系数数值模拟结果与 MUSE软件传热系数数据符合较好,平均偏差6%。 在气液两相区(147.94K<T<168K)小于MUSE软 件仿真结果。压力梯度数值模拟结果与MUSE软 件压力梯度数据符合较好,平均偏差14%。 B流体通道换热系数和压力梯度数值模拟结 果与MUSE软件数据比较如图19、20所示:在气 液两相区(130K<T<140.63K)传热系数数值模 拟结果小于MUSE软件传热系数数据,在气相区 (140.63K<T<168K),传热系数数值模拟结果与 MUSE软件传热系数数据符合较好,平均偏差0 5%。压力梯度数值模拟结果与MUSE软件压力 梯度数据符合较好,平均偏差12%。 C流体为气液两相。C流体通道换热系数和 压力梯度数值模拟结果与MUSE软件仿真结果比 较如图21、22所示:传热系数数值模拟结果小于 MUSE软件传热系数数据。压力梯度数值模拟结 果小于MUSE软件压力梯度数据。 D流体为气相。D流体通道换热系数和压力 梯度数值模拟结果与MUSE软件仿真结果比较如 图23、24所示:传热系数数值模拟结果与MUSE 软件传热系数数据符合较好,平均偏差7%。压 力梯度数值模拟结果与MUSE软件压力梯度数据符合较好,平均偏差12%。 5.2.2 数值计算结果误差分析 A、B、C、D四种流体通道传热系数、压力梯度 数值模拟结果与MUSE软件数据之间存在一定偏 差,其主要原因可以归结为如下几个方面: (1)混合工质单相区物性直接采用SRK方程 计算,其计算结果与实际物性存在一定偏差。 (2)混合工质两相区物性采用由SRK方程计 算得出的气相与液相物性的平均值,与实际两相 混合物物性存在一定偏差。 (3)数值计算模型没有考虑翅片、隔板的粗 糙度,使传热系数、压力梯度数值计算值偏小。 (4)翅片与隔板是钎接在一起的,钎接工艺 产生的换热器芯体结构与数值计算的简化模型有 一定差异,会使数值计算结果产生一定偏差。 (5)MUSE软件数据是根据经验公式给出,并 结合一定工程经验加以修正,因此MUSE软件数 据与实际值也存在一定偏差。 6 结论 对混合工质天然气液化装置中换热器采用分 段方式进行稳态数值模拟研究,得到沿长度方向 一定温度下传热系数、压力梯度的变化曲线。 (1)数值模拟结果表明:A流体通道传热系 数随温度增加在温度147.94K左右突然降低;压 力梯度随温度升高而增加。B流体通道传热系数 随温度增加先降低后增加;压力梯度随温度升高 而增加。C流体通道传热系数随温度增加而降 低;压力梯度随温度升高先增加,在温度为160K 左右开始降低。D流体通道传热系数与压力梯度 均随温度增加而增大。 (2)与换热器设计仿真软件MUSE数据相比 较,在单相区传热系数和压力梯度数值模拟结果与MUSE软件数据符合较好,在气液两相区传热 系数和压力梯度数值模拟结果与MUSE软件数据 相差较大。 参考文献 [1]凌祥,涂善东,陆卫权.板翅式换热器的研究与应用 进展[J].石油机械,2000年(28):24-28. [2]陈长青,沈裕浩.低温换热器[M].机械工业出版 社,1993:16~39,131-135. [3]朱刚.天然气迁移性质与调峰型液化流程的优化研究 [D].上海:上海交通大学博士学位论文.2000:1- 20. [4]钱颂文.换热器设计手册[M].化学工业出版社. 2002,(8). [5]王福军.计算流体动力学分析———CFD软件原理与应 用[M].清华大学出版社.2004:7-23. |
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