超临界LNG板翅式换热器的数值模拟论文_王飞

摘 要

为了提高LNG板翅式换热器的传热性能, 基于Fluent的数值模拟对超临界LNG在板翅式换热器中的换热特性进行分析。利用SST κ-ω湍流模型的数值模拟方法研究超临界LNG在板翅式换热器内的流动与换热特性，重点研究了不同流速以及不同壁面温度对板翅式换热器换热性能的影响，为利用LNG冷能的板翅式换热器的优化设计提供了参考和借鉴。结果表明超临界LNG的传热系数随入口速度的增加而变大，达到临界温度前上升，达到临界温度后下降。随着壁面温度的增加,换热系数变小,换热系数的峰值前移。研究结果可为LNG冷能在板翅式换热器中的应用提供理论与数据支持。

关键词: 换热；超临界LNG；板翅式换热器；数值模拟

Abstract

In order to improve the heat transfer performance of LNG plate-fin heat exchangers, the heat transfer characteristics of supercritical LNG in plate-fin heat exchangers were analyzed based on Fluent's numerical simulation. The numerical simulation method of SST κ-ω turbulence model was used to study the flow and heat transfer characteristics of supercritical LNG in plate-fin heat exchangers. The heat transfer performance of plate-fin heat exchangers with different flow rates and different wall temperatures was mainly studied. The impact provided reference and reference for the optimization design of plate-fin heat exchangers using LNG cold energy. The results show that the heat transfer coefficient of supercritical LNG increases with the increase of the inlet velocity, increases before reaching the critical temperature, and decreases after reaching the critical temperature. As the wall temperature increases, the heat transfer coefficient becomes smaller and the peak of the heat transfer coefficient moves forward. The research results can provide theoretical and data support for the application of LNG cold energy in plate-fin heat exchangers.

Keywords: Heat transfer; supercritical LNG; plate-fin heat exchanger; numerical simulation

0引言

随着国民经济的发展，以及煤化工、钢铁和石化等上游产业的快速发展，空分设备的需求旺盛，空分设备产业将呈现高速增长。大型空分设备是冶金、石油、化工、煤炭和能源等国民经济重要行业和重大工程领域的必要性基础装备，为医疗救治和工农业生产提供所需的氧气、氮气、氢气、氦气等多种气体，因此对国计民生和国家的核心竞争力具有直接和深远的影响力[1]。天然气作为一种清洁能源，近几年已经有了一定的发展。液化天然气中蕴含着大量的高品质冷能，所以采用LNG冷能为空分工艺提供冷源可以节约资源、减少能耗。常规的空气分离中使用的冷量都是由电力驱动产生的，导致生产成本非常高，需要大量的循环冷凝水，同时造成了热源的浪费[2]。LNG冷能空分装置将高品质的低温冷能用于空气分离过程，避免使用高低温膨胀机，减少了电能的消耗，间接地节约了生产成本。

同时在第六代及第七代空分流程中，主要换热设备如主换热器、冷凝蒸发器、过冷器等均是采用板翅式换热器[3]。随着空分装置的大型化发展，板翅式换热器需要处理的空气量越来越大，这就对其性能提出了越来越高的要求。目前国内外有关超临界LNG的对流换热特性研究非常少[4]，将超临界LNG应用到板翅式换热器内的相关研究尚未有公开研究文献报道。

本文提出将超临界LNG作为板翅式换热器内的工作流体，利用数值仿真的方法研究超临界LNG在不同工况下的板翅式换热器内的流动与换热特性，主要研究超临界LNG在平直流道中不同流速变化以及不同壁面温度时流道的流动与换热特性，希望能为超临界LNG在板翅式换热器内的应用提供理论依据和技术支持。

1 LNG物性计算

LNG中占有最大比重的是甲烷，甲烷的体积分数占LNG的80%以上，所以本文研究的超临界LNG使用甲烷的物性参数，由于计算的LNG是在工作压力为9.8Mpa下，进口温度为121K，而LNG的临界压力为4.59Mpa，临界温度在190K，所以LNG在板翅式换热器中的流动大多数为超临界流动。本文利用NIST REFPROP软件计算LNG的物性参数，图1为9.8 MPa压力下LNG的主要物性参数随温度变化曲线图。

图1 9.8MPa下LNG物性参数变化曲线图

拟合多项式通过Origin软件，以温度为函数对LNG的主要物性参数进行拟合，然后用FLUENT中自带的多项式差值（piecewise-polynomial），将拟合的多项式输入材料设置中。拟合的结果如表1所示。

表1LNG物性分段多项式

Table 1 LNG physical property piecewise polynomial.

2.1物理模型

空分板翅式换热器如图所示的翅片结构构成，板翅式换热器内部结构有很多层，十分复杂，板翅式换热器芯体是由多个冷热交替的通道组成，而且换热器微通道的尺寸都在mm数量级，长度和高度都是m数量级，因此，需要合理的简化和计算模型。

本文研究的是板翅式换热器，选取其中一个流道进行模拟几何图如图2所示，具体参数如下：翅高7.4mm，翅距2.2mm，翅厚0.2mm，翅片长度2000mm。

图2 板翅式换热器几何图

2.2控制方程

自然界全部千变万化的流体流动过程中都受物理守恒定律的影响，必须满足的最基本的物理守恒方程有：质量守恒方程、动量守恒方程以及能量守恒方程[7]。

（1）质量守恒方程（连续性微分方程，Continuity Equation）

?/〖?x〗_i (ρu_i )=0 (2.1)

式中：ρ为流体密度；u_i为速度矢量。

（2）动量方程

动量守恒定律是任何流动系统必须满足的基本定律，用于运动着的流体质点上，即可得到各个流动参数间的特定关系。动量方程描述的是牛顿第二定律在流体动力学计算中的应用，对其进行积分可以得到流场中速度和压强的分布，动量方程表示为：

?/(?x_j ) (ρu_i u_j )=-?p/〖?x〗_i +ρg_i+?/(?x_j ) [(μ+μ_t)(?u_i)/(?x_j )] (2.2)

式中：p为静压；μ为动力粘度；μ_t代表湍流粘度。

（3）能量方程：

?/(?x_j ) (u_i (ρH+p))=?/(?x_i ) (k_eff ?T/(?x_i )+u_i τ_ij )+S_h (2.3)

式中：k_eff代表有效导热率（k+k_t, k_t为湍流导热系数）；H为比焓；S_h为体积热源。

2.3湍流模型

在数值仿真研究中，湍流模型包括κ-ε标准模型、RNG κ-ε模型、剪切应力运输（SST）κ-ω模型和低雷诺数湍流模型。本文中选用剪切应力运输（Shear Stress Transport，SST）k-ω湍流模型，它的优点在于将k-ω模型在近壁面区更高的精度与算法稳定性处理方法与k-ε湍流模型进行结合[8]。剪切应力运输（SST）κ-ω模型更精确的计算结果。因此，本文数值仿真选择SST κ-ω湍流模型，κ动能方程和ω扩散方程如下：

(D(ρκ))/Dt=?/(?x_j ) [(μ+σ_κ μ_t ) ?κ/(?x_j )]+τ_ij (?u_i)/(?x_j )-β^* ρωκ (2.4)

D(ρω)/Dt=?/(?x_j ) [(μ+σ_ω1 μ_t ) ?ω/(?x_j )]+γ/ν_t τ_ij (?u_i)/(?x_j )-βρω^2+2(1-F_1 )ρσ_ω2 1/ω ?κ/(?x_j ) ?ω/(?x_j ) (2.5)

ω=ε/(β^* κ);ν_t=(a_1 κ)/(max?(a_1 ω;ΩF_2)) (2.6)

F_1=tanh?(arg_1^4 );F_2=tanh?(arg_2^2) (2.7)

arg_1=min?(max(√κ/0.09ωy;500ν/(y^2 ω));(4ρσ_ω2 κ)/(〖CD〗_κω y^2 )) (2.8)

〖CD〗_κω=max(2 (ρσ_ω2)/ω 1/ω ?κ/(?x_j ) ?ω/(?x_j ),10^(-20) ) (2.9)

arg_2=max(2 √κ/0.09ωy;500ν/(y^2 ω)) (2.10)

式中，F1，F2为κ和ω的扩散率；ε是湍流动能耗散率；Ω是涡量；y是与壁面的距离；SST κ-ω模型的常数和阻尼函数见表2。

表2 SST κ-ω模型的常数和阻尼函数

Table 2 Constants and functions used in the shear-stress transport (SST) model.

σ_ω1

σ_ω2

κ

a_1

β^*

SST

0.5

0.865

0.41

0.31

0.09

2.4 网格划分

本文利用ICEM软件对物理模型进行网格划分，将Solidworks模型转化为x.t格式转到ICEM中，固体网格和流体网格都使用结构化网格，在近壁面处进行加密处理，第一网格的厚度和递增因子分别为0.01 mm和1.2。其流道横截面网格示意图网格模型如图所示。

图3 流道横截面网格示意图

2.4数值方法和边界条件

使用数值模拟研究超临界LNG在板翅式换热器的换热性能，流体的进口采用的是速度进口，出口则采用压力出口，其边界条件为恒定壁面温度。设置工况,超临界LNG流体的入口温度为121K，工作压力在9.8Mpa，恒壁面温度为315K。用Simple算法求解压力速度耦合方程[9]。连续性方程、湍流脉动能方程采用二阶迎风格式，动量方程、能量方程以及湍流耗散率方程都是采用QUICK格式[10]，当各方程的残差值下降到10-6，且出口参数保持不变时，认为计算收敛。

3计算结果及分析

3.1温度和压力分布

通过CFD数值模拟得到板翅式换热器内流体压力和温度变化情况，下图4是进口速度1m/s时的压力和温度截面云图，顶端是进口处。

　图4 进口速度1m/s的速度和压力云图

LNG温度沿程升高，靠近翅片的温度最大内测的温度。压力沿程减小，压降有12000Pa。由于翅片长度过长，我们可以从横截面的温度图看出LNG的温度变化。从图5我们可以看出翅片分别在200mm、600mm、1000mm、1400mm以及1800mm处的温度横截面云图，左边200mm处LNG的温度远远小于最右边1800mm处的温度，而且越靠近壁面温度越高。

NG不同位置横截面温度变化图

3.2进口速度对超临界LNG的换热性能影响

为了了解超临界LNG流体在换热器内传热特性随着进口速度的变化，保持工作压力以及进口温度不变，分别模拟了进口速度1m/s、2m/s、3m/s以及4m/s的传热情况。从图5可以看出不同进口速度传热系数的变化趋势。

本文对流换热系数h计算公式为：

h=q/(T_w-T_b ) (3.1)

式中D_h为水力直径，其计算公式为D_h=4A/l。其中A为超临界LNG半圆形通道的面积，l为超临界LNG半圆形通道的周长；λ为超临界LNG的导热系数。

图5 不同进口速度对h的影响

由上图可以看出换热系数随着流体的流进，换热系数呈现先呈现先增长后减少的趋势，不同的流速对应的h的变化规律是一样的，随着流速的增加，换热系数也随之增加，换热性能越好，当流体达到他的临界温度时，换热系数达到最大。LNG未达到他的临界温度时，都是随着温度的升高而h越来越大，LNG超过他的临界温度，h随着温度越来越大而越来越小。

3.2不同壁温对超临界LNG的换热性能影响

不同壁温对超临界LNG换热性能的影响通过保持工况不变，分别模拟了进口速度都为1m/s时壁温为315K、310K、305K以及300K时的传热情况。从图6可以看出不同壁面温度时对流换热系数的变化趋势。

图6 不同壁面温度对h的影响

由上图可以看出，和之前的规律一样，h都是先升高后减小，由于LNG的变物性导致了壁面温度越大，换热系数越小。壁面温度在310K的时候，换热系数在流道大约980mm处达到最大值，壁面温度在315K的时候，换热系数在流道大约900mm处达到最大值，壁面温度在305K的时候，换热系数在流道大约1050mm处达到最大值。所以换热系数在壁面温度变大时，换热系数的峰值会往前推移，但整体换热系数是变小的。

4结论

采用数值仿真的方法对超临界LNG在板翅式换热器的平直通道换热特性进行了研究，对不同工况下换热特性进行了分析，结论如下：

1）通过研究超临界LNG在平直翅片通道的换热特性可以得出，随着流体的流动，换热特性随着流体的流程呈现先增长后减少的趋势。

2）壁面温度不变时，换热系数随着进口速度的增加而增加，换热性能越来越好。

3）在进口温度不变时，当壁面温度逐渐增大时,换热系数变小,换热系数的峰值向前移动。

参考文献

[1] 程宝华，李先瑞.板式换热器及换热装置技术应用手册[M]北京：中国建筑工业出版社，2005．98-121．

[2] 李彦洲. 板式换热器板片换热和流动特性的研究[D].长春工业大学,2014.6-12.

[3] Wei Lu, Tao Zhang, Mo Yang, Yupeng Wu. Analytical solutions of force convective heat transfer in plate heat exchanger partially filled with metal foams[J]. International journal of heat and mass transfer. 2017(110):476-481.

[4] P. Davood, Z. Kamiar. Heat transfer enhancement of shell-and-coiled tube heat exchanger utilizing helical wire turbulator [J]. Applied Thermal Engineering. 2017(115):607-615.

[5] S. B. Hosseini, R. H. Khoshkhoo, S.M. Javadi Malabad. Experimental and numerical investigation on particle deposition in a compact heat exchanger [J]. Applied Thermal Engineering. 2017(115):406-417.

[6] 余建祖. 换热器原理与设计[M].北京：北京航空航天出版社，2006.

[7] 杨世铭, 陶文铨.传热学[M].北京: 高等教育出版社，2006: 205-211.

[8]章梓雄，董曾南.粘性流体力学[M].北京：清华大学出版社，1998.16-20.

[9] 李磊，杨剑，马挺等.印刷电路板通道的高温传热与阻力特性研究[J].工程热物理学报，2014,35（5）：931-934.

[10] T. Ishizuka, Y. Kato, Y. Muto, et al. Thermal-hydraulic characteristics of a printed circuit heat exchanger in a supercritical CO2 loop[C].The 11th International Topical Meeting on Nuclear Reactor Thermal Hydraulics (2005). 218.

论文作者:王飞

论文发表刊物:《工程管理前沿》2019年24期

论文发表时间:2020/3/4

标签：温度论文;  换热论文;  换热器论文;  系数论文;  方程论文;  超临界论文;  湍流论文;  《工程管理前沿》2019年24期论文;