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【论文精选】运行参数对超临界甲烷流动换热特性的影响

时间：2023-12-01 来源：浏览：

【论文精选】运行参数对超临界甲烷流动换热特性的影响

原创伍经纬，等煤气与热力杂志

煤气与热力杂志

微信号 GAS-HEAT1978

功能介绍《煤气与热力》始于1978年，创刊于1981年，中国核心期刊，中国土木工程学会燃气分会会刊。筛选燃气供热行业最有价值的技术信息，新闻分类整理、政策标准、热点讨论、投稿查询、论文检索、写作指导、编委风采、精品会议……

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作者：伍经纬，郑文科，李选平，姜益强

第一作者单位：哈尔滨工业大学建筑学院

摘自《煤气与热力》2023年11月刊

参考文献示例

伍经纬，郑文科，李选平，等 . 运行参数对超临界甲烷流动换热特性的影响［J］. 煤气与热力， 2023，43（11）：B13-B18，B46.

1 概述

我国海上天然气资源十分丰富，有必要对储量丰富的海上天然气资源开发利用 ^［
1-2
］，因此常采用液化天然气的方式进行海上运输 ^［
3
］。天然气液化工艺中的主要设备之一是大型绕管式换热器，其具有结构紧凑、换热效率高、运行压力高的特点，被广泛应用于混合制冷剂制冷液化工艺中 ^［
4
］。该换热器中的天然气处于超临界状态 ^［
5
］。目前我国大型绕管式换热器主要依靠进口，为打破国外技术垄断，为我国大型绕管式换热器的设计提供重要参考，对超临界压力下的天然气在螺旋管内的换热特性进行研究非常必要。

液化天然气的主要组分是烷烃，其中甲烷占绝大多数，另含有少量乙烷、丙烷、 CO ₂ 、 H ₂ S 和 N ₂ 。甲烷体积分数根据产地不同会有细微差别，但一般都在 85% 以上 ^［
6
］。在同一结构的换热器中，甲烷和液化天然气的传热系数差别很小，液化天然气的物性参数主要由甲烷决定 ^［
7
］，因此本文用甲烷来代替液化天然气进行数值模拟，其工程计算的准确性可以得到保证。超临界甲烷的物性参数主要随着温度与压力变化而变化。在压力恒定时，比定压热容随温度升高呈现出先增加后降低然后缓慢增加的变化趋势，密度随温度升高不断减小。在温度恒定时，密度、热导率和黏度均随压力增大而逐渐增大。所以超临界甲烷的特殊热物性是其流动与换热特性与普通甲烷存在很大差异的主要原因。

国内外关于超临界甲烷的研究主要集中在竖直管和 U 形管中。王亚洲等 ^［
8
］通过数值模拟，详细分析了直管内超临界状态下压力、热流密度、入口速度和温度对甲烷湍流流动和传热过程的影响。杜忠选等 ^［
9-10
］用湍流模型对超临界甲烷在竖直管内的冷却换热进行了数值模拟，研究了质量流率、流动方向、热流密度和浮升力对传热系数的影响。孙鹏等 ^［
11
］采用有限体积法对超临界甲烷在 U 形管道的流动传热特性进行模拟研究，主要分析了管道布置形式和弯曲半径对传热系数的影响。此外，针对螺旋管中超临界压力下流体流动和传热的研究还主要集中在 CO ₂ 等介质。 Yu 等 ^［
12
］利用数值模拟的方法研究超临界 CO ₂ 在螺旋槽管中的传热和流动特性，揭示了结构参数对传热影响的机理。逯国强等 ^［
13
］针对 R134 在卧式螺旋管中的流动过程，采用逐渐增大热通量法对工质在单相对流和过冷沸腾条件下壁温的分布特性进行研究。刘晓见 ^［
14
］通过搭建两相流动传热实验台以及数值模拟的方式，分别探究了工质 R22 及水在非均匀热边界条件下螺旋管内双相和单相流动传热特性。

综上，目前对螺旋管内介质是超临界甲烷的研究较少，且对超临界甲烷流动换热特性的研究主要集中在直管和 U 形管中，尤其对运行参数影响下的换热特性缺少系统性的研究。本文利用数值模拟方法探究不同运行参数下超临界甲烷在螺旋管内的流动换热特性。主要探究质量流率、运行温度及运行压力对超临界甲烷在螺旋管内流动换热性能的影响规律，为我国大型绕管式换热器的设计研究提供参考。

2 计算模型建立

2.1 物理模型

绕管式换热器内由多根螺旋管组成，缠绕结构复杂且实际尺寸较大，综合计算成本和计算精度，对大型绕管式换热器管侧流动换热特性的研究可以简化为对半圈螺旋管内流动换热特性的研究。对内直径为 10 mm 、螺旋直径为 2 000 mm 、螺旋升角为 10 °的螺旋管建立物理模型，见图 1 。其中 R 为螺旋半径（是螺旋直径的 1/2 ），β为螺旋升角，指螺旋管管壁上任何一点切线与螺旋管缠绕轴线的垂直平面之间的夹角。

图 1 物理模型

为了确保模拟的准确性，将模型分为发展段和测量段两个部分，发展段长为 800 mm ，保证流体流动稳定且接近真实流动工况。

2.2 控制方程

超临界状态下螺旋管内流动与换热的模拟是基于连续性方程、动量方程、能量方程以及湍流模型的求解过程，从而获得螺旋管内流动中各相关参数的变化情况，最终选取 SST k- ω湍流模型模拟螺旋管内流体流动情况。

2.3 数值方法

本文利用 Gambit 软件对计算流体域进行网格划分 ^［
15
］，采用 Fluent 软件对超临界下甲烷在螺旋管内的流动换热特性进行模拟。

螺旋管入口采用质量流率入口边界，入口边界设置中的湍流指定方法选择湍流强度及水力直径，其中湍流强度为 5% ，水力直径为螺旋管内直径。螺旋管出口采用自由边界出口，壁面均采用定热流无滑移光滑壁面边界条件，不考虑壁面厚度，壁面定热流密度设置为 -20 kW/m ² ，负号表示甲烷向外界环境散热，为冷却过程。

此模拟研究中，假定流场是稳态的，流体中的涡旋运动在大尺度上具有相似性，可采用雷诺平均法，且湍流运动主要由剪切应力驱动。工质物性设置选取变物性模型。压力 - 速度耦合选用 SIMPLEC 算法，能量方程、动量方程、湍流强度及湍动耗散率选择较为严格的二阶迎风格式。为了保证求解过程的稳定性，在本次计算中除了能量的松弛因子设置为 1 外，其余松弛因子均设置为 0.1 。由于本文数值模拟为稳态模拟，因此初始值的设定采用混合初始化的方式。当能量、质量、速度的残差小于 1 × 10 ^-6 时，认定此次模拟计算收敛。

2.4 模型验证

所建模型与研究方法的准确性及适用性验证，以及网格无关性验证见文献［ 15 ］。

3 模拟结果及分析

本文主要研究螺旋管入口温度、运行压力（指入口压力）及质量流率对超临界甲烷在螺旋管内的表面传热系数以及摩擦压力降的影响。其中入口温度为 200~300 K ，运行压力为 7 、 9 、 15 MPa ，质量流率为 200 、 300 、 400 kg/ （ m ² · s ）。

本文的表面传热系数均指测量段的内表面传热系数，压力降也均指测量段的压力降。表面传热系数、摩擦压力降的计算见文献［ 15 ］。

3.1 入口温度及运行压力对流动换热规律的影响

对质量流率为 200 kg/ （ m ² · s ）的超临界甲烷在螺旋管内流动换热特性展开研究。

①入口温度及运行压力对表面传热系数的影响

图 2 表示螺旋管内的超临界甲烷在不同运行压力下的表面传热系数随入口温度的变化曲线。由图 2 可知，在相同质量流率及运行压力情况下，超临界甲烷在螺旋管内的表面传热系数随入口温度升高呈现出先增加后降低的变化趋势，且表面传热系数在拟临界温度附近达到峰值。峰值随着运行压力增大而降低，达到峰值时入口温度随运行压力增加而升高。质量流率恒定时，在入口温度为 200 K 时，管内表面传热系数随着运行压力增大而减小。运行压力越低，表面传热系数变化越明显，当入口温度为 300 K 时，表面传热系数随着运行压力增大而增大。当运行压力为 15 MPa 时，表面传热系数所达到的峰值为 2 214.47 W/ （ m ² · K ），运行压力为 9 MPa 与 15 MPa 相比，其峰值变化率为 24.5% ；而运行压力为 7 MPa 与 9 MPa 相比，其峰值变化率为 10.44% 。

图 2 不同运行压力下表面传热系数随入口温度的变化

经分析，认为产生上述现象的主要原因是超临界甲烷的比定压热容会随温度增加先增大后减小并在拟临界温度处达到峰值，而其密度会随温度增加而不断减小。由于超临界甲烷物性的变化，且比定压热容对换热性能的影响程度要高于密度对换热性能的影响程度，因此在质量流率及运行压力相同的情况下，随着入口温度增加，表面传热系数随着温度升高呈现出先增加后降低的变化趋势，且具体变化趋势与比定压热容在不同压力下随温度变化趋势基本一致。

②入口温度及运行压力对比摩擦压力降的影响

将单位长度摩擦压力降称为比摩擦压力降。图 3 为不同运行压力下，超临界甲烷在螺旋管内的比摩擦压力降随入口温度的变化曲线。分析图 3 可知，运行压力及质量流率恒定时，比摩擦压力降随着入口温度升高逐渐增大，且变化率逐渐增加。而在入口温度及质量流率相同的情况下，比摩擦压力降随着运行压力减小而增加。当运行压力为 15 MPa 时，比摩擦压力降的最大值为 253.85 Pa/m ，运行压力为 9 MPa 与 15 MPa 相比，其比摩擦压力降的最大值变化率为 35.70% ，而运行压力为 7 MPa 与 9 MPa 相比，其比摩擦压力降的最大值变化率为 32.93% 。此外，发现随着运行压力降低，比摩擦压力降随入口温度的变化趋势变得愈加陡峭。随着运行压力从 7 MPa 增大至 15 MPa ，同一运行压力下的比摩擦压力降的最大值与最小值相比，其变化率分别为 112.64% 、 63.96% 、 29.36% 。

图 3 不同运行压力下比摩擦压力降随入口温度的变化

经分析，超临界甲烷在运行压力相同时，其密度随着温度升高而降低，因此在质量流率及运行压力相同的情况下，管内流动速度会随着入口温度升高而逐渐增大，从而导致更大的加速压力降和比摩擦压力降。由于超临界甲烷的密度会随着运行压力升高而增加，且运行压力越低密度变化越剧烈。因此在入口温度及质量流率相同的情况下，管内流速随着运行压力升高而降低，从而导致比摩擦压力降随着运行压力升高而减小，且运行压力越大其变化幅度越小。

3.2 质量流率对流动换热性能的影响

本节主要分析运行压力 7 MPa 条件下超临界甲烷在螺旋管内流动换热特性。

①质量流率对表面传热系数的影响

图 4 表示超临界甲烷在不同质量流率下表面传热系数随入口温度的变化曲线。由图 4 可知，在运行压力及质量流率相同的情况下，表面传热系数随着入口温度增加呈先增加后降低的变化趋势，并且在 7 MPa 对应的拟临界温度附近达到峰值，峰值随质量流率增大而升高。而在入口温度及运行压力相同的情况下，表面传热系数随质量流率增大而增加，且质量流率越大则表面传热系数随入口温度变化越明显。当质量流率为 200 kg/ （ m ² · s ）时，表面传热系数峰值为 3 044.88 W/ （ m ² · K ），质量流率为 300 kg/ （ m ² · s ）与 200 kg/ （ m ² · s ）相比，其峰值变化率为 39.78% ；而质量流率为 400 kg/ （ m ² · s ）与 300 kg/ （ m ² · s ）相比，其峰值变化率为 28.24% 。发生此现象的主要原因是随着质量流率增加，螺旋管内的超临界甲烷湍流强度有所增强，导致流体扰动增强，从而边界层变薄，因此管道内流动换热性能有所提升。

图 4 不同质量流率下表面传热系数随入口温度的变化

②质量流率对比摩擦压力降的影响

图 5 表示螺旋管内的超临界甲烷在不同质量流率下比摩擦压力降随入口温度的变化曲线。由图 5 可知，在运行压力及质量流率相同的情况下，比摩擦压力降随入口温度增大而增加；在入口温度及运行压力相同的情况下，比摩擦压力降随着质量流率增大而增加，并且质量流率越大比摩擦压力降随入口温度变化趋势越明显。质量流率为 200 kg/ （ m ² · s ）时，比摩擦压力降的最大值为 457.91 Pa/m ，质量流率为 300 kg/ （ m ² · s ）与 200 kg/ （ m ² · s ）相比，其比摩擦压力降最大值变化率为 126.70% ；而质量流率为 400 kg/ （ m ² · s ）与 300 kg/ （ m ² · s ）相比，其比摩擦压力降最大值变化率为 113.01% 。随着质量流率从 200 kg/ （ m ² · s ）增大到 400 kg/ （ m ² · s ），同一质量流率下的比摩擦压力降的最大值与最小值相比，其变化率分别为 112.64% 、 164.78% 、 233.91% 。当运行压力相同，入口流速会随着质量流率增加而增加，因此会产生更大的加速压力降和比摩擦压力降。并且比摩擦压力降与流速的 2 次方呈正相关关系，从而导致质量流率越大，比摩擦压力降越大且变化越明显。

图 5 不同质量流率下比摩擦压力降随入口温度的变化

3.3 出口截面速度及温度分布

为了更好探究超临界甲烷在螺旋管内表面传热系数及比摩擦压力降的变化规律，分别选取了不同运行压力及质量流率下的出口截面进行分析。

①不同运行压力下出口截面速度及温度

图 6 为入口温度 300 K 、质量流率 200 kg/ （ m ² · s ）时不同运行压力下出口截面速度及流线分布。由图 6 可知，速度呈中心大四周小的分布，同时在管道两侧有两个二次涡对称分布。随着运行压力增大，出口截面的平均流速逐渐减小，但运行压力对二次涡结构以及速度分布形式影响不大。运行压力对管内流动换热的影响主要通过影响热物性体现，对管内二次流影响不大。

图 6 不同运行压力下出口截面速度及流线分布（软件截图）

入口温度 300 K 、质量流率 200 kg/ （ m ² · s ）时，不同运行压力下出口截面温度分布云图见图 7 。由图 7 可知，管道外侧温度要小于管道内侧温度，且温度渐变方向与水平方向成一定夹角，此现象是管道离心力及重力共同作用的效果。此外，运行压力越大，出口截面的高温区域越贴近壁面。

图 7 不同运行压力下出口截面温度分布云图（软件截图）

②不同质量流率下出口截面速度及温度

图 8 为入口温度 300 K 、运行压力 7 MPa 时，不同质量流率下出口截面速度及流线分布。图 6a 与图 8a 是同一个图，只是取图角度和速度显示范围不同。由图 8 可知，随着质量流率增加，出口截面的高速区域逐渐趋于管道中心分布且所占面积逐渐变小。此外，随着质量流率增加，管道内二次流强度有所增强且二次涡结构有所改变，因此认为质量流率对管内流动换热的影响主要通过影响管内流动状态体现。

图 8 不同质量流率下出口截面速度及流线分布（软件截图）

图 9 为入口温度 300 K 、运行压力 7 MPa 时，不同质量流率下出口截面温度分布云图。由图 9 可知，随着质量流率增大，出口截面的温差由 16 K 降低至 6 K ，且温度渐变方向与水平方向夹角逐渐减小。由于管道中流体受到离心力及重力共同作用，随着质量流率增大，管内流体所受离心力增大，从而导致温度渐变方向有所改变。

图 9 不同质量流率下出口截面温度分布云图（软件截图）

4 结论

①质量流率、运行压力恒定时：表面传热系数随入口温度升高呈现先增加后降低的变化趋势，且在拟临界温度附近达到峰值；比摩擦压力降随入口温度升高逐渐增加。

②质量流率、入口温度恒定时：比摩擦压力降随运行压力减小而增加。

③运行压力、入口温度恒定时：表面传热系数随质量流率增大而增加，且质量流率越大，表面传热系数随入口温度变化越明显；比摩擦压力降随质量流率增大而增加，且质量流率越大，比摩擦压力降随入口温度变化趋势越明显。

④入口温度、质量流率恒定时：随着运行压力增大，出口截面的平均流速逐渐减小，但二次涡结构以及速度分布形式变化不大；运行压力越大，出口截面的高温区域越贴近壁面。

⑤入口温度、运行压力恒定时：随着质量流率增加，出口截面的高速区域逐渐趋于管道中心分布且所占面积逐渐变小，管道内二次流强度有所增强且二次涡结构有所改变；出口截面的温差降低，且温度渐变方向与水平方向夹角逐渐减小。

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