关键词：
天然气气化
印刷电路板式换热器
并联细小多通道
海洋晃荡条件
气液两相流
流量分配
摘要：
近年来,随着天然气开采向深水发展,海上液化天然气浮式储存和再气化装置(LNG-FSRU)应运而生,印刷电路板式换热器(printed circuit heat exchanger,简称PCHE)作为一种新型高效微细通道换热器,具有体积小、结构紧凑、换热效率高等特点,将其运用到LNG-FSRU中前景极为广阔,由于LNG-FSRU常年运行在海上,受海风浪影响,海上平台连同PCHE不可避免产生晃荡,导致其内部微细多通道间气液两相流的流量分配特性复杂多变,尤其是某些通道流量由于附加惯性力影响可能急剧降低,严重影响换热器效率和运行安全。为此,本文采用数值建模和理论分析相结合的方法对PCHE内气液两相流流量分配特性进行了系统深入的研究。
参考实际PCHE结构特点,以换热器封头和12个细小通道为建模对象,采用天然气气液两相混合物为工质,构建了适用于预测和分析常规工况和晃荡工况下PCHE内气液两相流流量分配特性的三维非稳态数值模型。该模型基于VOF方法考虑气液两相间的相互作用并追踪气液两相流相界面运动位置,在动量方程中引入横摇、垂荡等晃荡工况下周期性变化的附加惯性力源项。利用现有文献中的实验数据分别从微细通道内气液两相流流量分配、晃荡条件下两相流流动两个方面对本文模型进行验证,发现本文模型的计算结果与实验数据间的平均相对误差均在10%以内,验证了本文模型的可靠性。
首先,基于本文模型对常规工况下PCHE内气液两相流的流量分配特性进行计算分析,发现相比于单相液态天然气,当换热器入口混入气相工质变为气液两相混合物时,各通道间液相工质质量流量的相对标准偏差增大了 88倍,分配不均现象明显加剧。导致该现象的主要原因在于来流气相工质明显倾向于进入距离换热器入口最近的若干通道,使得这些通道的气相流量显著高于其它通道,各通道气相工质流量分配特性整体上呈现明显的“峰值分布”,随着入口气相工质流速的不断增大,换热器入口工质经历从泡状流到弹状流再到环状流的流型变化,各通道间气相工质的质量流量分配不均现象逐渐缓和,但是液相工质的质量流量分配特性发生明显恶化。
随后,以泡状流为例(Jl=0.5 m/s,Jg=0.1 m/s),研究了当换热器处于倾斜工况(倾斜角α=0°～30°)下PCHE内气液两相流的流量分配特性,发现随着倾斜角度的增加,各通道间气相质量流量的分配均匀性呈现先缓和后恶化的变化趋势,液相质量流量的分配均匀性逐渐恶化。气相工质由于浮升力的作用缓慢向封头上方通道聚集,尤其是最顶端的通道气相流量显著增大,逐渐高于其他通道,呈现新的“峰值分布”特征。随着倾斜角度从0°增加至30°,气液两相混合物总流量的相对标准偏差由0.0358增大至0.0619,增大了 73%,整体流量分配均匀性显著恶化。
最后,以泡状流为例(Jl=0.5 m/s,Jg=0.1 m/s),研究了当换热器处于晃荡条件下PCHE内气液两相流的流量分配特性,发现相比于常规工况,当施加横摇或者垂荡条件后,各通道内工质流量从单一的周期性震荡趋势变为变幅度、高频率的多频震荡,可能会导致通道内的传热过程极不稳定,严重影响换热器的正常运行。与此同时,在横摇和垂荡工况下,各通道间气液两相混合物总流量的分配均匀性明显恶化,其流量分配的相对标准偏差分别较常规工况增大了 16%和40%。以横摇工况为例,研究了晃荡振幅(θm=10°～30°)、晃荡周期(P=1～3 s)对两相流流量分配均匀性的影响,发现随着晃荡振幅、周期的增大,换热器内气液两相混合物总流量的分配不均匀性发生不同程度的恶化,但恶化程度不明显。
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