运行工况 对 LNG 绕管式换热器壳侧换热特性有何影响？

    

      本期我们来探讨下运行工况对LNG 绕管式换热器壳侧换热特性的影响。

   
 

 

 

绕管式换热器广泛应用于大中型陆基天然气液化工厂和大型液化天然气浮式生产储卸装置。当绕管式换热器应用于天然气液化工艺时，管侧介质为超临界态天然气，壳侧介质为两相 态烷烃介质，如图 1 所示。  

LNG 绕管式换热器的热阻主要集中在壳侧，壳侧换热对换热器热力性能影响显著。壳侧的运行工况参数由天然气气源成分、液化工艺类别所决定，运行工况对换热器性能有明显影响。  

对于 LNG 绕管式换热器壳侧两相换热过程，介质经与管侧换热，干度逐渐增加，变化范围在 0.2～0.9，超出已有研究对应的气相流、降膜流的工况范围。由于工况上的巨大差异，已有关于运行工况对LNG绕管式换热器壳侧换热特性影响的研究结论可能无法直接应用于 LNG 绕管式换热器壳侧换热。 因此，本文将通过丙烷介质在 LNG 绕管式换热器壳侧流动沸腾换热特性的实验研究，得到运行工况对壳侧换热特性的影响规律。  

   

1、实验装置与实验原理

        

 

实验装置为压机驱动的闭式循环系统，原理如图 2 所示。  

各实验参数的控制与测量方法如下：  

① 质量流量通过调节压缩机频率和节流阀开度实现控制， 通过测试循环流路上的科氏质量流量计（最大测量误差±0.15%）实现测量；  

② 蒸发压力通过调节旁 通流路上的调节阀开度实现控制，通过测试样件内的压力传感器（最大误差±0.1%）实现测量；  

③ 热通量通过调节测试样件内电加热棒功率实现控制，通过功率计（±0.1%）实现测量；  

④ 干度通过调节前置电加热器的加热量实现控制。  

   

2、测试样件结构与实验工况

        

 

本研究选取一个缠绕管束微元作为测试样件进行传热系数的测量。测试样件的管径、轴向管间距、径向管间距、螺旋升角的取值与实际LNG 绕管式换热器一致。为了研究不同轴向管间距下运行工况对传热系数的影响，针对 3 个具有不同轴向管间距尺寸的测试样件进行测试。测试样件由三列管束组成，能够反映相邻管束对流体的影响。测试样件分为均流稳流段、换热测试段和观察段三部分，如图3 所示。测试样件的结构尺寸参数如表1 所示。  

 

 

均流稳流段包含上层和下层两个多孔均流板、 20 排管束，其作用是实现流体均匀分布与流型稳定。换热测试段由 4 排加热管组成，加热管内装有电加热棒为测试流体提供热量，电加热棒的功率可由调功器控制，实现对加热管热通量的调节。每根加热管的管壁上装有 4 个热电偶，实现对管壁温度的测量。换热测试段的进出口处各装有 1 支铠装热电偶，实现对换热测试段流体温度的测量。热电偶在安装前均已提前标定，标定后的精度为±0.2℃。  

观察段的作用是对测试样件内的流型做观测。测试介质处于低温状态，为了防止观察段的视窗结霜，视窗采用带真空夹层的双层石英玻璃结构，能够阻止水汽接触视镜，有效避免了结霜。LNG 绕管式换热器壳侧的介质是烷烃类介质。本文选用丙烷为实验介质。实验测试工况基 于LNG绕管式换热器的壳侧典型运行工况选取，具体如表 2 所示。  

 

   

3、数据导出与误差分析

        

中涉及到的物性参数通过GERG—2004天然气混合 物物性模型计算得到[29]。考虑实验仪表及设备的精度，根据参考文献 [MOFFAT R J. Describing the uncertainties in experimental results[J]. Experimental Thermal and Fluid Science, 1988, 1: 3-17.] 的误差分析方法，得出传热系数的误差小于 ±14.4%，具体如表 3 所示。  

 

   

4、实验结果与分析

        

 

4.1 传热系数随干度的变化    

不同质流密度条件下，传热系数随干度的变化 如图 4 所示。随着干度的增加，传热系数先升高再降低，在 0.8～0.9 干度下出现极大值。当干度小于 0.8 时，传热系数在 40、60 和 80 kg·(m2 ? s) ? 1 质流密 度工况下分别增加了 49%、61%和 81%。当干度大于 0.9 时，传热系数随干度增加急剧下降。  

 

传热系数随干度先增大后降低的原因分析如 下。当干度小于0.8时，壳侧流体处于降膜流[图5(a)] 与剪切流[图 5(b)]状态，管壁表面的液膜能够完全 覆盖管子，随着干度的增加，气相剪切力逐渐增强液体在气相剪切力的作用下，其流速逐渐增加，因此传热系数会随干度的增加而增大。当干度大于 0.9 时，壳侧流体处于雾状流[图 5(c)]状态，液体量过 小以至于无法完全覆盖管壁，出现了局部蒸干区，造成了换热的急剧恶化。  

 

不同轴向管间距下，传热系数随干度的变化如图 6 所示。  

 

 

 

在 60 kg·(m2 ·s) ? 1 质流密度下，当轴向管 间距从 2mm 增大至 6mm 时，0.3 干度对应的传热系数降低率为 7.2%，而 0.7 干度对应的传热系数降 低率则增至 14.1%，表明传热系数的降低幅度随干 度的增大而增大。在 0.3 干度下，当轴向管间距从 2mm 增大至 6mm 时，40kg·(m2 ·s) ? 1 质流密度对应的传热系数降低率为 0.5%，而 80 kg·(m2 ·s) ? 1 质流密度对应的传热系数降低率则增至 13.5%，表明传热 系数的降低幅度随质流密度的增大而增大。  

 

4.2 传热系数随热通量的变化    

传热系数随热通量的变化如图 7 所示。在不同 的干度工况下，传热系数随热通量的变化呈现出不同的规律。  

（1）当干度在 0.3 和 0.7 时，传热系数随热通 量增加而增大，如图 7(a)、(b)所示。这是因为在这 些工况下，壳侧介质处于降膜流和剪切流状态，液膜能够完全覆盖管壁，热通量增加对沸腾换热有强 化作用。此外，从图 7(a)、(b)可以看出，随着质流 密度的增加，传热系数随热通量的增长率逐渐降低。这是因为，质流密度的增加会对沸腾换热有抑制作 用，造成了高质流密度工况下传热系数随热通量的增加不明显。  

（2）当干度为 0.9 时，传热系数随热通量的增加而减小，如图 7(c)所示。这是因为在高干度时， 壳侧介质处于雾状流状态，管壁表面液膜的液膜无 法完全覆盖管子，并出现了局部蒸干区。蒸干区的面积会随热通量的增大而增大，导致了管壁上有效换热面积的降低，最终造成了传热系数的下降。  

 

4.3 传热系数随质流密度的变化    

传热系数随质流密度的变化如图 8 所示。在低热通量和高热通量工况下，传热系数随质流密度的变化呈现出不同的规律。  

 

 

（1）在低热通量工况下，传热系数随质流密度 的增加而增大，如图 8(a)所示。这是因为在低热通量工况下，对流换热占主导，质流密度增加会造成 管壁表面液膜流速的增加，从而使传热系数增大。  

（2）在高热通量工况下，传热系数随质流密度 的增加呈现出非单调变化，如图 8(b)所示。在 0.3～0.7 的干度工况下，当质流密度从40 kg ? (m2 ? s) ? 1 增大到 60 kg ? (m2 ? s) ? 1 时，质流密度增加对沸腾换热的 抑制作用占主导，因此传热系数降低；当质流密度从 60 kg ? (m2 ? s) ? 1 增大到80 kg ? (m2 ? s) ? 1 时，质流密度 增加对对流换热的强化作用占主导，因此传热系数增大。在0.8干度下，因为介质流速非常大，质流密度增加对对流换热的强化作用占主导，所以传热 系数随质流密度的增加而增大。  

   

5、结论

        

 

本文针对运行工况对 LNG 绕管式换热器壳侧两相介质换热特性的影响开展实验研究，在实验工况范围内，得到如下结论。  

（1）随着干度增加，壳侧传热系数先增大再减小，极值出现在 0.8～0.9 干度工况下。  

（2）当干度小于0.8 时，传热系数随热通量增加而增大；当干度大于 0.8 时，传热系数随热通量的增加而减小。  

（3）随着质流密度的增加，传热系数在低热通量工况下呈增加趋势，而在高热通量工况下呈现出非单调变化。  

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