מאמר שיטה

סימולציה של זרימת עיבוי ומעבר חום במחליפי חום בעלי צינור ספירלי עבור תערובות פחמימנים לא-אזאוטרופיות

62 צפיות

⸱

DOI:

10.3791/71595

⸱

8 בספטמבר 2026

 ,  ,  ,  , 
1Shenyang Polytechnic College, 2School of Municipal and Environmental Engineering, Shenyang Jianzhu University, 3Laboratory of Thermo-fluid Science and Nuclear Engineering, School of Energy and Power Engineering, Northeast Electric Power University

במאמר זה

סיכום

במאמר זה מוצג פרוטוקול לסימולציה מספרית של מעבר חום בעיבוי ומאפייני זרימה של תערובות פחמימנים לא-אזאוטרופיות במחליפי חום סליליים. שיטה זו מעריכה את תנאי ההפעלה והגלגול כדי לחזות את מקדמי מעבר החום ומפלי הלחץ.

תקציר

כמרכיב ליבה בתהליך הפיכת הגז הטבעי לנוזל, מחליפי חום בעלי סלילים (spiral wound heat exchangers) ממלאים תפקיד מכריע בייצור LNG. זאת כדי להבין באופן מקיף את מאפייני זרימת העיבוי והעברת החום של תערובות פחמימנים שאינן אזאוטרופיות בתוך צינורות סליליים. המחקר המספרי ברמת דיוק גבוהה במחקר זה מונחה על ידי זרימת עבודה מוגדרת היטב, הכוללת יצירת גיאומטריה באמצעות כלי מידול מקצועי, יצירת רשת (mesh) באמצעות תוכנת רשת ייעודית, חישוב מספרי בתוך סולבר מסחרי (המשלב ניטור התכנסות בזמן אמת), ועיבוד נתונים כמותי לאחר החישוב. גישה משולבת זו מבטיחה נאמנות גבוהה של המודל המספרי המתקבל. הסטיות המקסימליות מנתונים ניסיוניים קלאסיים (הנתונים הניסיוניים של Neeraas) נותרות מתחת ל-15% עבור מקדם העברת החום ומתחת ל-10% עבור מפל הלחץ החיכוכי. תוצאות הסימולציה מגלה כי שינוי תקופות ואמפליטודות הגלגול מניב מגמות תנודתיות דומות בתהליך העברת החום, המציגות השפעות הן של שיפור והן של ירידה. באופן ספציפי, תקופת הגלגול משנה את ביצועי העברת החום ב-±20%, בעוד שאמפליטודת הגלגול משפיעה עליהם ב-±10%.

מבוא

גז טבעי, כדלק מאובני כמעט נקי, פולט באופן משמעותי פחות פחמן דו-חמצני ומזהמים אחרים בעת בעירה מאשר פחם ונפט. במעבר העולמי לעבר מערכות אנרגיה מתחדשות, גז טבעי נחשב לעיתים קרובות כ"דלק גישור" בשל יכולתו לשמור על היציבות והאמינות של אספקת האנרגיה1. באמצעות עיבוי לנזל (liquefaction), גז טבעי במצב גזי מקורר לנזל קריוגני (LNG), דבר המפחית את נפחו פי 600 בקירוב, ומקל מאוד על ההובלה והאחסון2. מחליף החום בעל הצינורות הספירליים (SWHE) הוא רכיב מרכזי בתהליך עיבוי הגז הטבעי לנזל. סוג זה של מחליף חום מורכב מסדרה של צינורות ספירליים מקובעים בתוך מעטפת גלילית, המגולגלים שכבה אחר שכבה בכיוונים מנוגדים סביב ציר מרכזי, כאשר מפרידים מפרידים בין השכבות כדי להבטיח מרווח מספיק להחלפת חום. בשל תצורתו הספירלית, ה-SWHE מספק שטח פנים גדול להעברת חום בתוך שטח רצפה קטן3. תכנון דחוס זה הופך אותו למתאים ביותר לשילוב במתקנים גדולים, ובמיוחד בפלטפורמות הפקה צפות בים שבהן השטח מוגבל מאוד. בתהליכי עיבוי באמצעות קרר מעורב הנפוצים בייצור LNG, פחמימנים לא-אזאוטרופיים זורמים כלפי מעלה בתוך הצינורות, בעוד שהנוזל הקר בצד המעטפת זורם כלפי מטה באופן נגדי דרך המרווחים בתוך צרור הצינורות. בתנאים אלה, התהליך המרכזי בצד הצינור הוא עיבוי של פחמימנים לא-אזאוטרופיים בתוך הצינורות הספירליים, הכולל זרימה מורכבת דו-פאזית של גז-נוזל4,5.

כדי לחזות במדויק את מאפייני הזרימה והמעבר התרמי של עיבוי בתוך הצינורות, נערכו מחקרים נרחבים. עבור אלקאנים בעלי מרכיב יחיד, Fries et al.6 מדדו את מאפייני מעבר החום בעיבוי של פרופאן בצינורות אופקיים, ומצאו כי מפל הלחץ עלה ככל שקוטר הצינור ולחץ הרוויה פחתו. הם ציינו גם כי כוח הכבידה גרם למקדם מעבר החום בתחתית הצינור להיות נמוך יותר מאשר בחלקו העליון. Zhuang et al.7,8 חקרו את עיבוי של מתאן ואתאן בצינורות אופקיים, והראו כי מקדם מעבר החום ומפל הלחץ החיכוכי עלו עם קצב הזרימה ואיכות האדים. מחקר קודם9 ניתח את תהליך העיבוי של פרופאן במיקרו-תעלות, ואישר כי המגמות של מעבר החום ומפל הלחץ היו דומות לאלו בתעלות קונבנציונליות. עבור קררים מעורבים, Smit et al.10 חקרו את עיבוי של תערובות R22/R142b בצינורות אופקיים, ומצאו כי בשטפי מסה נמוכים, הגדלת חלק המסה של R142b הפחיתה באופן משמעותי את מקדם מעבר החום. Berrada et al.11 חקרו תערובת של R134a/R23 ומצאו כי לסחיפת הטמפרטורה (temperature glide) הייתה השפעה מועטה על מעבר החום תחת יחסי מרכיבים שונים. Neeraas ביצע ניסויים על תערובות אתאן/פרופאן בצינורות ספירליים, וציין כי אפקט הערבוב השפיע באופן משמעותי על חישוב מקדם מעבר החום בעיבוי12. בסימולציות מספריות, Li et al.13 סימולצו את תהליך העיבוי של אתאן/פרופאן, והראו כי מקדם מעבר החום ומפל הלחץ החיכוקי פחתו עם עליית לחץ הרוויה. Qiu et al.14 הציגו את אפקט סחיפת האדים-נוזל בעת סימולציה של עיבוי פרופאן בצינורות ספירליים; תוצאותיהם הראו כי התחשבות באפקט זה הפחיתה את הסטייה בין תוצאות הסימולציה לנתונים הניסיוניים לפחות מ-25%.

למרות מחקרים נרחבים על נושאי עבודה ותצורות תעלות שונות, נותר פער משמעותי בין נוזלים טהורים או בינאריים הנלמדים בדרך כלל בספרות לבין התערובות רב-רכיביות המשמשות בייצור LNG תעשייתי. באופן ספציפי, חקירות מספריות המתמקדות בתערובות פחמימנים לא-אזאוטרופיות בעלות שלושה רכיבים או יותר בתוך תעלות זרימה מורכבות נותרות מוגבלות להפליא15. בנוסף, בנוגע ליישום הייחודי של פלטפורמות LNG במים עמוקים, עדיין חסרה הבנה מקיפה לגבי האופן שבו תנועת הציוד הנגרמת מהסביבה הימית משנה את זרימת העיבוי ואת התנהגות מעבר החום. כדי לגשר על פערים מחקריים אלה, מחקר זה משלב סימולציות של דינמיקה של נוזלים חישובית (CFD) עם נתונים ניסיוניים קיימים לפיתוח מודל מפורט תלת-ממדי של זרימת עיבוי דו-פאזית. השוואה וניתוח של מקדם מעבר החום ושל מפל הלחץ החיכוכי שהסומולציה הניבה בוצעו על בסיס נתונים ניסיוניים קלאסיים. בהתבסס על מודל זה, המאמר מתמקד בסימולציה של תהליך העיבוי של הרכבים מייצגים משדות גז בצינורות ספירליים, במיוחד בתנאי גלגול, כדי לחקור את המנגנונים שבבסיס השפעת התנועה המורכבת על מעבר חום בעיבוי רב-רכיבי. מחקר זה מספק בסיס תיאורטי אמין והנחיה הנדסית לתכנון ואופטימיזציה של מחליפי חום יעילים בתהליכי עיבוי של גז טבעי במים עמוקים.

פרוטוקול

כיוון שעבודה זו מתמקדת במאפייני מעבר החום המקומי ומפל הלחץ במהלך עיבוי בתוך צינור ספירלי, ניתן להשתמש בתחום מופחת ברגע שהזרימה מפותחת במלואה, מה שמאפשר ייצוג מדויק של התנהגות זרימה תרמית ומקומית. לצורך תיקוף מול נתונים ניסיוניים, נבנה מודל של צינור ספירלי בעל שלושה מקטעים בהתבסס על המודל הפיזי שהוצע על ידי Neeraas12, עם קוטר צינור של 14 mm, זווית ספירלה של 10° וקוטר סליל של 2 m. המודל מורכב משלושה אזורים: מקטע מפותח במלואו (0.6 m), מקטע בדיקה (0.2 m) ומקטע לייצוב לחץ (0.2 m). המקטע המפותח במלואו מבטיח שהזרימה תהיה מפותחת מספיק לפני הכניסה לאזור הנדון. מקטע הבדיקה משמש להשוואה עם נתונים ניסיוניים ולניתוח מפורט של מאפייני זרימה ומעבר חום מקומיים. מקטע ייצוב הלחץ תוכנן כדי לשמור על יציבות לחץ המוצא ולמנוע זרימה חוזרת, ובכך למנוע הפרעה לתוצאות שהתקבלו במקטע הבדיקה. תוכנת המידול הספציפית מופיעה בטבלת החומרים.

1. מודל פיזיקלי ורשת

  1. פתחו את תוכנת המידול. בסרגל הסטטוס התחתון, בחרו ב-Sketch Mode, ולחצו על Z–X plane כדי להיכנס לסביבת הסקיצה.
  2. בסרגל הכלים העליון, בחרו בכלי ה-Circle. שרטטו מעגל בראשית הצירים בקוטר של 14, ולאחר מכן לחצו על Enter. לחצו על Return to 3D Mode בסרגל הכלים העליון. מעגל הסקיצה יומר כעת למשטח.
  3. בחרו את המשטח המעגלי שנוצר. לחצו על כלי ה-Move (קיצור דרך: M) בסרגל הכלים העליון. מניפולטור של שלשה (ידית תלת-צירית) יופיע על המשטח. גררו את הכדור הצהוב במרכז המניפולטור אל ראשית הצירים הגלובלית (0, 0, 0), שתשמש כנקודת הייחוס לסיבוב ולהזזה.
  4. גררו את החץ האדום לאורך ציר ה-X, הזינו 1000 mm, ולחצו על Enter. סיבוב: לחצו על rotation ring מסביב לציר ה-X (קשת כחולה או ירוקה), הזינו 10°, ולחצו על Enter.
  5. לחצו על ה-Pull tool (קיצור דרך: P) בסרגל הכלים העליון ובחרו את המשטח המעגלי. בפאנל השמאלי, בחרו באפשרות Revolve. לאחר מכן בחרו את ציר ה-Z של מערכת הצירים הגלובלית כציר הסיבוב. הפעילו את אפשרות ה-Helix בפאנל השמאלי. צרו את Volume 1: בתיבת הקלט או בפאנל השמאלי, הזינו גובה של 138.87 mm וזווית של 45.16°, ולחצו על Enter. תחום הנוזל הראשון נוצר.
  6. צרו את Volume 2: בחרו את פני השטח של הקצה החדש של Volume 1. חזרו על פעולת ה-helical pull, שוב תוך שימוש בציר ה-Z כציר הסיבוב. הזינו גובה של 69.44 וזווית של 22.58°.
  7. צרו את Volume 3: בחרו את פני השטח של הקצה החדש של Volume 2. צרו את Volume 3 עם אותם פרמטרים כמו ב-Volume 2 תוך שימוש באותה שיטה.
  8. לחצו על לשונית Workbench בסרגל התפריטים העליון. לחצו על כפתור Share. התוכנה תסמן באופן אוטומטי את שני הפנים שנחתכים בין שלושת הנפחים. לחצו על כפתור ה-Complete (סימן וי) מצד ימין.
  9. לחצו על לשונית Groups בפאנל השמאלי. בחרו את הפנים המעגלי הראשוני של הנפח הראשון, לאחר מכן לחצו על Create Named Selection והגדירו אותו כ-inlet (in).
  10. בחרו את הפנים המעגלי הסופי של הנפח השלישי, לחצו על Ctrl + G כדי ליצור קבוצה, והגדירו אותו כ-outlet (out).
  11. בחרו את המשטחים הגליליים החיצוניים של שלושת הנפחים והגדירו אותם כגבולות דופן: wall1, wall2, ו-wall3.
  12. בעץ המבנה מצד שמאל, החזיקו את Ctrl ובחרו את שלושת המוצקים. לחצו על Ctrl + G כדי ליצור קבוצה ושנו את שמה ל-fluid.
  13. חברו את הגאומטריה שנוצרה למודול ה-Mesh ולחצו פעמיים כדי לפתוח את תוכנת ה-Meshing. בעץ השמאלי, לחצו על Mesh. בפאנל ה-Details למטה משמאל, הרחיבו את Sizing והגדירו את ה-Element Size ל-3.
  14. לחצו קליק ימני על Mesh בעץ, Insert, Sizing. בחרו את משטח הכניסה (in) כגאומטריה ולחצו על Apply. הגדירו את ה-Element Size ל-0.6.
  15. לחצו קליק ימני על Mesh, Insert, Inflation. Geometry: בחרו את שלושת תחומי הנוזלים ולחצו על Apply. Boundary: בחרו את משטחי הדופן החיצוניים שהוגדרו כ-wall, ולאחר מכן לחצו על Apply. שנו את האפשרות ל-First Layer Thickness. First Layer Height: 0.01mm. Maximum Layers: 15. Growth Rate: 1.25.
  16. לחצו קליק ימני על Mesh, Insert, Method. בחרו את שלושת תחומי הנוזלים ולחצו על Apply. בתפריט ה-Method הנפתח, בחרו ב-Sweep. תחת Selection זו, בחרו ב-Manual Source. בחרו את משטח הכניסה (in) כפני המקור ולחצו על Apply.
  17. לחצו קליק ימני על Mesh בעץ ובחרו ב-Generate Mesh. במחקר זה, איכות הרשת נשלטה בקפידה. ה-Orthogonal Quality המינימלי של הרשת שנוצרה הוא מעל 0.90.

2. תפעול תוכנת הסימולציה

  1. פתחו את תוכנת הפתרון. עברו ללשונית File, ותחת Read, בחרו ב-Mesh. לאחר מכן עברו ל-Scale Mesh והגדירו את Mesh Was Created In ל-mm.
  2. בהגדרות הפותר (Solver settings), בחרו ב-Pressure-Based solver, בחרו ב- Absolute עבור velocity formulation, והפעילו את אפשרות ה- Transient עבור הזמן.
    הערה: באמצעות הצמדת משוואת התנודה למקרה ייחוס סטטי ומימושה באמצעות פונקציה מוגדרת-משתמש (UDF), מסגרת הקואורדינטות הנעה יכולה לייצג את תנאי התנודה.
  3. לחצו על User-Defined, ואז בחרו ב-Functions. בחלק של ה-Interpreted UDFs, טענו את קובץ התנודה המהודר.
    הערה: התנועה המתוצאת מבוטאת כפי שמוצג במשוואה (1). נבחרה ואומצה מתודולוגיה של רשת סטטית שמומשה באמצעות מסגרת קואורדינטות נעה. הפיזיקה הבסיסית של התנפנפות (sloshing) נסמכת על התנועה היחסית של הנוזל ביחס לגבול המיכל. עירור התנפנפות מיוצג כאיברי מקור של תאוצה דינמית שוות-ערך במשוואות התנע, מה שמאפשר שחזור מלא של הכוחות הדינמיים של הנוזל על רשת סטטית.
    משוואת תנועה הרמונית X=Xsin(2πt/Tc)max, נוסחה, פיזיקה, ניתוח גל סינוסואידי.      (1)
    במשוואה, Tc מייצג את תקופת התנודה, ו- X מציין את ההעתקה הנוצרת מהתנודה.
  4. הגדירו את Gravitational acceleration בכיוון Y ל- −9.81 m/s2. תחת Models, הפעילו את Energy והפעילו את Energy Equation.
  5. תחת Models, הפעילו את Viscous ובחרו ב- Reynolds Stress Model (7 משוואות). בהגדרות ה- Reynolds stress model, בחרו ב- Linear Pressure-Strain. עבור Near-Wall Treatment, בחרו ב- Scalable Wall Functions.
  6. ב- Phases, הגדירו את Phase-1 (פאזה ראשית) כ- gas ואת Phase-2 (פאזה משנית) כ- liquid. תחת Global Options, הפעילו את Surface Tension Force Modeling, ובחרו ב- Continuum Surface Force model.
    הערה: אומצה גישה של פסאודו-נוזל שוות-ערך המבוססת על תכונות תרמו-פיזיקליות התלויות בטמפרטורה ובלחץ, שהיא מתודולוגיה מקובלת נרחבת במחקרי CFD של תערובות רב-מרכיביות. בהינתן הרכב תערובת ראשוני קבוע, תכונות תרמו-פיזיקליות תלויות-מצב — כולל צפיפות, צמיגות דינמית, מוליכות תרמית, קיבול חום סגולי ומאפייני רוויה — חושבו והופקו באמצעות מאגר הנתונים NIST REFPROP לאורך כל טווחי הטמפרטורה והלחץ התפעוליים. במחקר הנוכחי, התערובת שומרת על הרכב מאקרו-הומוגני לאורך כל הסימולציה. שימוש בתכונות משתנות המופקות מ-NIST לוכד במדויק את המאפיינים התרמו-פיזיקליים הבלתי-ליניאריים של הנוזל הרב-מרכיבי תוך הימנעות מעומס חישובי מיותר.
  7. בלקיחת תערובת אתאן–פרופאן כדוגמה, באיכות אדים של 0.56 ובלחץ של 3.2 MPa, הגדירו את תכונות פאזת הנוזל ב- Materials באופן הבא:
    1. צפיפות: 393.06 kg/m3
    2. קיבול חום סגולי (Cp): 3866.4 J/(kg·K)
    3. מוליכות תרמית: 0.078798 W/(m·K)
    4. צמיגות: 5.4796 × 10⁻5 Pa·s
    5. מסה מולקולרית: 37.115 kg/kmol
    6. הנתלפיה במצב סטנדרטי: 0
    7. טמפרטורת ייחוס: 321 K
  8. ב-Materials, הגדירו את תכונות פאזת הגז באופן הבא:
    1. צפיפות: 67.49 kg/m3
    2. קיבול חום סגולי (Cp): 3488.7 J/(kg·K)
    3. מוליכות תרמית: 0.03035 W/(m·K)
    4. צמיגות: 1.129 × 10⁻5 Pa·s
    5. מסה מולקולרית: 34.756 kg/kmol
    6. הנתלפיה במצב סטנדרטי: 0
    7. טמפרטורת ייחוס: 321 K
  9. הגדירו את inlet boundary condition כ- Mass-Flow Inlet (שטף מסה 300 kg/(m2·s)), את ה- outlet כ- Pressure Outlet (0 Mpa), ואת wall boundary condition כ- Heat Flux (-10340W/m2).
  10. תחת Methods, בחרו ב- PISO algorithm עבור שיטות הפתרון. עבור Volume Fraction, בחרו ב- Geo-Reconstruct.
    הערה: למרות ששיטת נפח-נוזל (VOF) מקובלת נרחבת למעקב אחר התפתחות טופולוגית של משטחים חופשיים בקנה מידה מאקרוסקופי בתהליכי תנפנפות ושינוי פאזה תרמי, נותרות מגבלות מובנות בדיוק לכידת הממשק ובמעקב אחר תנודות ממשקיות בקנה מידה מיקרוסקופי. ניסוח ה-VOF תלוי מיסודו בחלקי נפח פאזה של תאים בדידים. סכימת ה-Geo-Reconstruct ששימשה כאן מקלה משמעותית על דיפוזיה נומרית; עם זאת, יישוב של מיקרו-טיפות תת-רשתיות, היווצרות רסס או מבנים מיקרו-ממשקיים נותר מוגבל בהחלט על ידי עידון רשת מקומי. עבור דינמיקת התנפנפות בקנה מידה מאקרוסקופי, הסעה תרמית של המסה וחוקי מעבר מסה של שינוי פאזה שקיבלו עדיפות בחקירה זו, מסגרת ה-VOF הנוכחית עם כ-1.42 מיליון אלמנטים של רשת משיגה איזון אופטימלי בין דיוק טופולוגי לעלות חישובית.
  11. ב- Monitors, הגדירו ניטור עבור:
    1. לחץ בכניסה וביציאה של מקטע הבדיקה.
    2. טמפרטורה בכניסה וביציאה.
    3. טמפרטורת דופן.
    4. חלק נפח בכניסה וביציאה.
      הערה: קריטריון ההתכנסות עבור שארית האנרגיה נקבע ל- 1 × 10⁻8, בעוד שקריטריוני ההתכנסות עבור שאר הפרמטרים נקבעו ל- 1 × 10⁻4. משתנים גלובליים קריטיים, כולל טמפרטורה ממוצעת משוקללת-שטח ומפל לחץ כולל לאורך מקטע הבדיקה, נוטרו באופן דינמי. החישוב נמשך עד שמשתנים אלו לא הראו תנודות נוספות, מה שהבטיח ששדה הזרימה הגיע למצב מפותח ויציב לחלוטין.
  12. בחרו בשיטת אתחול standard initialization, חשב מכל האזורים (calculate from all zones). לאחר האתחול, בלוח Run Calculation, הגדירו: Time Step Size: 1 × 10⁻4 s, ו- Number of Time Steps: 1 × 106.

3. עיבוד לאחר מדידה והגדרת ייצוא נתונים

  1. בפאנל Calculation Activities, לחץ על Autosave (Every Flow Time) כדי לפתוח את חלון השמירה האוטומטית. בהגדרות ה-Autosave, הגדר את Save Data File Every [s] ל-0.01 והגדר את Flow Time כסוג מרווח השמירה. עבור Save Associated Case Files Type, בחר Only if Modified, ולאחר מכן לחץ על OK.
  2. פתח את חלון ה-Contours מפאנל ה-Results. בהגדרות ה-Contours, הפעל את האפשרויות Filled, Node Values, Boundary Values, Global Range ו-Auto Range.
  3. בחר Phases כסוג ה-contour ו-Volume Fraction כ-variable, ולאחר מכן הגדר את phase-1 כפאזה המטרה. לבסוף, לחץ על Save/Display כדי להציג את התפלגות הקונטור.
    הערה: מקדם מעבר החום מחושב כמנתק שטף החום של הדופן חלקי הכוח המניע של הטמפרטורה, המתקבל מהפרש הטמפרטורות בין הכניסה ליציאה של מקטע הבדיקה. תחת תנאי sloshing, מאומץ מקדם מעבר חום ממוצע בזמן. מפל הלחץ נקבע על ידי ניטור ההפרש בין לחצי הכניסה והיציאה, וגרדיאנט מפל הלחץ החיכוכי מחושב לאחר מכן כיחס שבין מפל לחץ זה לבין אורך מקטע הצינור.
  4. ייבא את הנתונים שהתקבלו ל-Excel, כגון ערכי טמפרטורה ולחץ בכניסה וביציאה.
  5. חשב את הפרש הטמפרטורות והפרש הלחצים בין הכניסה ליציאה בהתאם לשיטת החישוב בסעיף 3.3.

תוצאות

באמצעות המודל המספרי המתוקף, סומלס תהליך ההנשיה בפועל כדי לחקור באופן שיטתי וריאציות במקדם מעבר החום ובנפילת הלחץ החיכוכית תחת פרמטרי הפעלה שונים, ובכך לספק בסיס תיאורטי לתכנון ואופטימיזציה של מחליפי חום. המסקנות העיקריות מסוכמות כדלקמן: עבור עיבוי של נוזל טהור, מעבר החום מוגבל בעיקר לשכבת הנוזל הצמודה לדופן הצינור, שבה טמפרטורת הממשק גז-נוזל שווה לטמפרטורת ליבת האדים, כאשר שתיהן תואמות לטמפרטורת הרוויה. לעומת זאת, עיבוי של תערובת הוא תהליך שאינו בשיווי משקל, המאופיין במעבר חום סימולטני הן בתוך שכבת הנוזל והן בליבת האדים. כתוצאה מכך, טמפרטורת הממשק גז-נוזל סוטה מטמפרטורת הרוויה של המסה, בליווי שינוי בריכוז הממשקי ממצב הרוויה בשיווי משקל. במהלך תהליך זה, הרכיב הפחות נדיף מעבה באופן מועדף, מה שגורם לרכיב הנדיף יותר להצטבר בממשק הפאזות. הצטברות זו מעלה את הריכוז המקומי של הרכיב הנדיף יותר, ובכך נוצר מדרג ריכוזים בין הממשק לבין מסת האדים. מדרג זה גורם להתנגדות משמעותית למעבר מסה המעכבת את עיבוי הרכיב הפחות נדיף, ובכך פוגעת במקדם מעבר החום של העיבוי.

משוואת שבר נפחי:

משוואה דיפרנציאלית חלקית עבור דינמיקה של נוזלים, הכוללת הסעה סקלארית בדיאגרמה מתמטית.      (2)

דיאגרמה של משוואת דינמיקת נוזלים ∂a/∂t + ∇·(ua) = -S/ρ; עיקרון שימור המסה.      (3)

חלקיקי הנפח של פאזות הגז והנוזל מקיימים את התנאי הבא:

נוסחת שיווי משקל סטטי Σaₗ + aₑ = 1; תרשים; מושג פיזיקלי חינוכי. (4)

משוואת אנרגיה:

משוואת מעבר אנרגיה בדינמיקה של נוזלים; כוללת סמלים, אופרטורים דיפרנציאליים, גרדיאנט.    (5)

מודל לי למעבר פאזה:

משוואת תרמודינמיקה S_al=-r·a_l·ρ_l(T-T_s)/T_s, T≥T_s, הקשורה לתהליכים תרמיים.      (6)

משוואת שיווי משקל סטטי, נוסחה לפיזור מאמצים, הקשורה לתנאי טמפרטורה.      (7)

כאשר S(αl) מייצג את קצב העברת המסה הקשור לשינוי פאזה ליחידת נפח וליחידת זמן; αl מייצג את חלק הנפח של הפאזה הנוזלית; αg מייצג את חלק הנפח של פאזת הגז; u⃗ מייצג את המהירות המשותפת של שני הפאזות m/s; ρ היא צפיפות התערובת המתקבלת על ידי ממוצע משוקלל לפי חלק הנפח kg/m3; µ מציין את הצמיגות הדינמית של התערובת Pa·s; h היא האנתלפיה הממוצעת של פאזות הגז והנוזל J/kg; λeff הוא המוליכות התרמית האפקטיבית בין פאזות הגז והנוזל W/(m·K); r הוא פקטור הרפיית הזמן 1/s, במאמר זה הוא נקבע ל-104; Ts היא טמפרטורת הרוויה. התנהגותה של תערובת נושאי חום במהלך עיבוי שונה מזו של נושאי חום טהורים, בעיקר בשל נדיפות הרכיבים.

לשטף המסה, לאיכות האדים וללחץ הרוויה יש השפעות משמעותיות על מקדם מעבר החום של העיבוי ועל מפל הלחץ החיכוכי. ככל ששטף המסה עולה, מהירות הזרימה גוברת, מה שמעצים את ההפרעה של שכבת האדים ובכך משפר את מעבר החום בתוך השכבה, דבר המוביל לעלייה כוללת במקדם מעבר החום. במקביל, מאמץ הגזירה המופעל על ידי פאזת האדים על שכבת הנוזל הופך לחזק יותר, מה שגורם למפל לחץ חיכוכי גבוה יותר. עם עליית איכות האדים, גם יחס ההחלקה בין הפאזות וגם מהירות התערובת עולים, דבר שמחזק את אינטראקציית הגזירה בין שכבת הנוזל לדופן, וכן את הגזירה הבין-פזית בין פאזות האדים והנוזל. תהליך זה משפר את ביצועי מעבר החום. בתנאים אלו, אפקטי הגזירה הופכים לדומיננטיים, והירידה בצפיפות התערובת תורמת עוד יותר לעלייה במפל הלחץ החיכוכי. לחץ הרוויה ממלא גם הוא תפקיד קריטי בקביעת מאפייני הזרימה ומעבר החום. בלחצי רוויה נמוכים, צפיפות האדים יורדת בעוד מהירות הזרימה עולה, מה שמוביל לשכבת נוזל דקה יותר ולהפחתה בהתנגדות התרמית, ובכך משפר את מעבר החום. לעומת זאת, בלחצי רוויה גבוהים יותר, טמפרטורת הנוזל עולה, והצפיפות והצמיגות של הנוזל יורדות, דבר המחליש את אינטראקציית הגזירה בין שכבת הנוזל לדופן וגורם להפחתה במפל הלחץ החיכוכי. באיכות אדים של 0.5, כאשר שטף המסה עולה מ-450 ל-550 kg/(m2·s), מקדם מעבר החום עולה מ-5118 ל-5637 W/(m2·K), המייצג עלייה של 10%. במקביל, מפל הלחץ החיכוכי עולה מ-2523 ל-3442 Pa/m, המצביע על עלייה משמעותית של 36%.

ההשפעות של תקופת הגלגול ואמפליטוד הגלגול על תהליך העברת החום מציגות מגמות דומות, כאשר שתיהן מראות דו-קיום של שיפור ופגיעה בהעברת החום. תנועת הגלגול משנה את עוצמת התנודה (turbulence intensity) בתוך שכבת הנוזל ובכך משפיעה על האנרגיה הקינטית של התנודה בשכבה. כאשר האנרגיה הקינטית של התנודה ממוצעת-מחזור עולה, הטרנספורט המוגבר על ידי תנודה הופך לדומיננטי, מה שמוביל לשיפור בהעברת החום. לעומת זאת, כאשר האנרגיה הקינטית של התנודה ממוצעת-מחזור יורדת, היחלשות התנודה מדכאת את ביצועי העברת החום. במקביל, תנועת הגלגול מעצימה תנודות בשכבת הנוזל ומשנה את עוביה. הפחתה בעובי שכבת הנוזל מקטינה את ההתנגדות התרמית ולפיכך משפרת את העברת החום, בעוד שעלייה בעובי השכבה מעלה את ההתנגדות התרמית ומחלישה את ביצועי העברת החום. שני מנגנונים אלו, כלומר השינוי באנרגיה הקינטית של התנודה והשינוי בעובי שכבת הנוזל, מקיימים אינטראקציה וקובעים יחד את התנהגות העברת החום הכוללת לאורך מחזור גלגול. בטווח שנבחן במחקר זה, השפעת תקופת הגלגול על ביצועי העברת החום היא בערך בטווח של ±20%, בעוד שהשפעת אמפליטוד הגלגול היא בטווח של ±10%.

דיאגרמה של מחליף חום עם חלקים מסומנים לייצוב לחץ והשוואה; תהליך זרימת נוזלים.
איור 1: תרשים סכמטי של המודל הפיזי הסימולטיבי. בשל העלות החישובית הגבוהה של סימולציה של צינורות סליליים בקנה מידה מלא, אומץ מודל עם תחום מצומצם ומפושט, כפי שמוצג באיור 1. לצורך תיקוף מול נתונים ניסיוניים של Neeraas12, נבנה מודל בעל שלושה חלקים (קוטר צינור: 14 mm, זווית סליל: 10°, קוטר סליל: 2 m). הוא מורכב מחלק של זרימה מפותחת במלואה (0.6 m) להבטחת ייצוב הזרימה, חלק בדיקה (0.2 m) להשוואת נתונים מקומיים, וחלק לייצוב לחץ (0.2 m) למניעת זרימה חוזרת ולשמירה על יציבות לחץ היציאה. המודל כולל שלושה חלקים, שהראשון שבהם נגזר מתרשים סכמטי בספר שפורסם בעבר על ידי Cai1. אנא לחצו כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של איור זה.

תרשים מעבר חום לעומת מפל לחץ חיכוכי; קשר למספר הרשת; ניתוח של יעילות תרמית.
איור 2: תוצאות בדיקת עצמאות הרשת. איור 2 ממחיש את תוצאות אימות עצמאות הרשת עבור מקדם מעבר החום ומפל הלחץ החיכוכי כפונקציה של מספר הרשת. כפי שמוצג באיור, הן מקדם מעבר החום והן מפל הלחץ החיכוכי פוחתים באופן משמעותי כאשר מספר התאים הכולל עולה מ-0.60 מיליון ל-1.33 מיליון. מעבר ל-1.33 מיליון תאים, השינויים בשני הכמויות הנמדדות מתייצבים; עידון נוסף של הרשת עד ל-1.85 מיליון תאים מניב סטייה יחסית של פחות מ-0.5%, מה שמעיד על כך שהושגה עצמאות הרשת. כדי לאזן בין דיוק חישובי לבין השקעת משאבים, נבחרה רזולוציית רשת עם כ-1.42 מיליון תאים עבור כל הסימולציות הבאות. יתרה מכך, רזולוציית רשת זו הוכחה כמתאימה הן לתנאים סטציונריים והן לתנאי נדנוד. אנא לחצו כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של איור זה.

תרשים עמודות המשווה בין נתוני סימולציה לנתונים ניסיוניים של מקדם מעבר חום לעומת איכות האדים.
איור 3: תוצאות אימות של סימולציה נומרית של מקדם מעבר חום לעומת נתוני הניסוי של Neeraas. מקדמי מעבר החום החזויים תואמים היטב את הנתונים הניסיוניים בטווח איכות אדים של 0.2–0.8. באופן ספציפי, תוצאות הסימולציה גבוהות במקצת מהנתונים הניסיוניים באיכויות אדים של 0.2–0.4, בעוד שהערכים הניסיוניים עולים במעט מהתחזיות הנומריות באיכויות אדים של 0.5–0.8. בהתבסס על ההערכה הכמותית, הסטייה המקסימלית היא 15%. אנא לחצו כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של איור זה.

תרשים עמודות של מפל לחץ חיכוכי לעומת איכות אדים, המשווה בין נתוני סימולציה לנתונים ניסיוניים.
איור 4: תוצאות אימות של סימולציה מספרית של מפל לחץ חיכוכי לעומת נתונים ניסיוניים של Neeraas. מפל הלחץ החיכוכי החזוי גבוה מעט מהתוצאות הניסיוניות באופן כללי, כאשר הסטייה המקסימלית אינה עולה על 10%. אנא לחצו כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של איור זה.

דיאגרמת שבר נפח של שלב הגז; ספיקות זרימה: G=350, 450, 550 kg/m²·s; סקירת צבע מוצגת.
איור 5: שבר נפח של פאזת הגז תחת שטפי מסה שונים (קוטר = 10 מ"מ, איכות אדים = 0.5). איור 5 ממחיש את התפלגויות חלק הנפח של האדים בחתך הרוחב של היציאה עבור שטפי מסה שונים באותה איכות אדים. כפי שמוצג באיור, חלק הנפח המינימלי של האדים הוא 0, דבר המעיד על כך שהדופן נשארת רטובה לחלוטין על ידי שכבת הנוזל. בשטפי מסה נמוכים, תבנית הזרימה נשלטת בעיקר על ידי כוח הכבידה ומציגה מבנה טיפוסי של זרימה שכבתית. ככל ששטף המסה עולה, מאמץ הגזירה המופעל על ידי פאזת האדים על שכבת הנוזל הופך לחזק יותר ובסופו של דבר דומיננטי בהתנהגות הזרימה, מה שגורם לתבנית הזרימה לעבור בהדרגה מזרימה שכבתית לזרימה טבעית. בנוסף, לאיכות האדים יש השפעה חשובה על התפתחות תבנית הזרימה, והיא, יחד עם שטף המסה, קובעת את השינוי במבנה הזרימה הדו-פאזית. אנא לחצו כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של איור זה.

גרף של מעבר חום לעומת איכות האדים; שלוש עקומות עבור שטפי מסה שונים (350-550 kg/m²s).
איור 6: מקדם מעבר חום תחת שטפי מסה שונים. השינוי במקדם מעבר החום עם שטפי מסה שונים מוצג באיור 6. באיכות אדים קבועה, מקדם מעבר החום עולה עם הגברת ש fluxo המסה. במהלך תהליך העיבוי, נוצר סרט אדים לאורך הדופן הפנימית של הצינור. ככל ששטף המסה עולה, מהירות הזרימה עולה, מה שמעצים את ההפרעה לסרט האדים ומשפר את מעבר החום בתוך הסרט, ובכך מפחית את ההתנגדות התרמית. כתוצאה מכך, מקדם מעבר החום הופך לגבוה יותר בשטפי מסה גבוהים. במקביל, עם העלייה בשטף המסה, עולה גם מספר ריינולדס המתאים לסרט הנוזל. באופן כללי, לשטף המסה יש השפעה משמעותית על מקדם מעבר החום. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של איור זה.

גרף של מפל לחץ חיכוכי לעומת איכות האדים. הקווים מראים סנפירות זרימה של G=350, 450, 550 ק
איור 7מפל לחץ חיכוכי תחת שטפי מסה שונים. איור 7 מציג את השונות במפל הלחץ החיכוכי תחת תנאי שטף מסה שונים. התוצאות מצביעות על כך שבאותה איכות אדה, מפל הלחץ החיכוכי עולה באופן משמעותי עם עליית שטף המסה. הדבר נובע בעיקר מכך ששטף מסה גבוה יותר מוביל למהירות זרימה גבוהה יותר, מה שמגביר את הגזירה המופעלת על ידי פאזת האדה על סרט הנוזל וכן את מאמץ הגזירה שעל הדופן, ובכך גורם למפל לחץ חיכוקי גדול יותר. באופן כללי, לשטף המסה יש השפעה ניכרת על מפל הלחץ החיכוקי. אנא לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של איור זה.

דיאגרמה של שבר נפח של פאזת גז המראה התפלגות מקודדת בצבעים בערכים שונים (0.3, 0.5, 0.7, 0.9).
איור 8: שבר נפח של פאזת גז תחת איכויות אדים שונות (קוטר = 10 mm). איור 8 ממחיש את התפלגויות שבר הנפח של האדים ביציאה עבור ארבע איכויות אדים. שבר הנפח עולה בחדות באיכות אדים נמוכה אך מגיע למישור (plateau) קרוב ל-1 באיכות אדים גבוהה. זוהו ארבעה דפוסי זרימה מובחנים: זרימה שכבתית (stratified), חצי-טבעתית (semi-annular), טבעתית (annular) וזרימת ערפל (mist flow). באיכות אדים נמוכה, כוח הכבידה הוא הדומיננטי, מה שיוצר זרימה שכבתית שבה האדים נמצאים למעלה והנוזל למטה. עם עליית איכות האדים, גזירה בין-ממשקית מחליפה את כוח הכבידה כמנגנון הדומיננטי, ומניעה את הזרימה דרך משטרי זרימה חצי-טבעתיים וטבעתיים עד לזרימת ערפל. אנא לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של איור זה.

דיאגרמת שבר נפח של פאזה גזית; השוואת לחצים ב-3 MPa וב-5 MPa עם סולם צבעים.
איור 9: שבר נפח של פאזה גזית תחת לחצי רוויה שונים. ככל שלחץ הרוויה עולה, צפיפות הנוזל יורדת, בעוד שצפיפות האדים עולה, מה שמוביל לשינוי בהפרש הצפיפויות בין שתי הפאזות ולעלייה כללית בצפיפות התערובת. במקביל, מאפייני ההחלקה (slip) של הגז והנוזל משתנים, והגזירה הבין-פזית בין שתי הפאזות נחלשת, מה שמוביל להפחתה בשבר נפח האדים. שינויים אלו באים לידי ביטוי באופן ישיר יותר במגמות של מקדם מעבר החום ומפל הלחץ החיכוכי. אנא לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של איור זה.

תרשים עמודות המנתח את מקדם מעבר החום לעומת איכות האדים בלחצים של 3 MPa ו-5 MPa.
איור 10: מקדם מעבר חום תחת לחצי רוויה שונים. איור 10 מציג את מקדמי מעבר החום עבור איכויות אדים ולחצי רוויה שונים. באיכות אדים קבועה, לחץ רוויה נמוך יותר מביא למקדם מעבר חום גבוה יותר. מבחינה מכניסטית, לחץ גבוה יותר מגביר את צפיפות האדים, ובכך מפחית את מהירות הזרימה ואת מאמץ הגזירה הבין-פזית. תהליך זה מעבה את שכבת הנוזל, ובכך מגביר את ההתנגדות התרמית ומדרדר את מעבר החום. יתרה מכך, השפעת לחץ הרוויה הופכת בולטת יותר באיכויות אדים גבוהות יותר, שבהן מהירות האדים היא הדומיננטית, ושינויים בצפיפות המושרים על ידי הלחץ גורמים לשינויים גדולים יותר במאמץ הגזירה הבין-פזית. אנא לחץ כאן כדי לצפות בגרסה מורחבת של איור זה.

גרף עמודות של מפל לחץ חיכוכים לעומת איכות האדים ב-3 Mpa ו-5 Mpa, הממחיש את דינמיקת זרימת הנוזל.
איור 11: מפל לחץ חיכוכים תחת לחצי רוויה שונים. איור 11 מציג את השינוי במפל לחץ החיכוכים תחת לחצי רוויה שונים. התוצאות מעידות כי עבור אותה איכות אדים, מפל לחץ החיכוכים פוחת ככל שלחץ הרוויה עולה. בשילוב עם התפלגות המהירות, שדה טמפרטורת התת-קירור והתפלגות חלק האדים בלחצי רוויה שונים, תוצאות אלו מצביעות על כך שלחץ רוויה גבוה יותר תואם לטמפרטורת נוזל גבוהה יותר, המלווה בירידה הן בצפיפות הנוזל והן בסמיכותו. כתוצאה מכך, אינטראקציית הגזירה בין שכבת הנוזל לדופן נחלשת, מה שמוביל להפחתה במפל לחץ החיכוכים. אנא לחצו כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של איור זה.

שבר נפח של פאזת הגז; תוצאות סימולציה; יחסי זמן שונים; מיפוי צבעים; דינמיקה של נוזלים.
איור 12: שבר נפח של פאזת הגז תחת תקופות גלגול שונות (איכות אדים = 0.5, שטף מסה = 550 kg/(m2·s, A = 3 m). בأمפליטוד גלגול קבועה, תקופת גלגול קצרה יותר מובילה לאפקט אינרציאלי נוסף חזק יותר המושרה על ידי התנועה התנודתית, מה שגורם לתנודות מהירות עזות יותר בשדה הזרימה. תנודות אלו מראות גם התנהגות מחזורית מובהקת, עם פאזות מתחלפות של האצה והאטה של הזרימה. במקביל, תנועת הגלגול משנה את ההתפלגות המרחבית של שכבת הנוזל ומשנה את דפוס הזרימה, ובכך משפיעה על מעבר החום. ככל שעובי שכבת הנוזל הממוצע עולה, ההתנגדות התרמית של השכבה עולה, מה שמחליש את ביצועי מעבר החום. לעומת זאת, ככל שעובי שכבת הנוזל הממוצע יורד, ההתנגדות התרמית של השכבה פוחתת, ובכך משפרת את מעבר החום. סיווג משטרי הזרימה מבוסס על קריטריוני המעבר של דפוסי זרימה המוצעים במקור4. אנא לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של איור זה.

גרף מקדם מעבר חום, תנאי נייח לעומת גלגול; תוצאות ניתוח חילוף חום.
איור 13: מקדם מעבר חום תחת תקופות גלגול שונות. איור 13 משווה בין מקדמי מעבר חום (HTCs) ממוצעים בזמן תחת תנועת גלגול אל מול קו הבסיס הנייח. הגלגול משנה את ה-HTC בטווח של ±20%, ומראה הן שיפור והן ירידה. בערכי HTC נמוכים (איכות אדים נמוכה יותר), הגלגול משפר את מעבר החום – במידה רבה יותר עם תקופות גלגול קצרות יותר – על ידי הגברת הטורבולנסיה בסרט הנוזל ובתנודות הבין-פזיות. לעומת זאת, בערכי HTC גבוהים (איכות אדים גבוהה יותר), הגלגול פוגע במעבר החום על ידי דחיסת ליבת האדים והגדלת עובי סרט הנוזל (באמצעות עיבוי ממוצע ואפקטים צנטריפוגליים בזרימה טבעתית), ובכך מעלה את ההתנגדות התרמית. כתוצאה מכך, מומלץ להגדיר מרווח תכנון מתאים עבור יישומים במקרי offshore. כל נקודת נתון באיור תואמת למקרה סימולציה נומרית בלתי תלוי ודטרמיניסטי. פתרון ה-CFD של המשוואות השולטות אינו כולל רעש מדידה, ובכך משמיט את השונות הסטטיסטית הגלומה בניסויים חזורים; לפיכך, פסי שגיאה המבוססים על התפלויות סטטיסטיות אינם רלוונטיים ואינם נחוצים. אנא לחצו כאן להצגת גרסה גדולה יותר של איור זה.

גרף מקדם מעבר חום; השוואה בתקופות גלגול; כולל מחווני שונות של 10%.
איור 14: מקדם מעבר חום תחת אמפליטודות גלגול שונות. איור 14 משווה בין מקדמי מעבר חום (HTCs) ממוצעים בזמן תחת אמפליטודות גלגול שונות לעומת קו הבסיס הסטטי. אמפליטודת הגלגול משנה את ה-HTC בטווח של ±10%, ומראה הן שיפור והן פגיעה. בערכי HTC נמוכים (איכות אדים נמוכה יותר), הגלגול משפר את מעבר החום — באופן בולט יותר באמפליטודות גדולות יותר — על ידי הגברת הטורבולנציה של שכבת הנוזל והתנודות בממשק. לעומת זאת, בערכי HTC גבוהים (איכות אדים גבוהה יותר), הגלגול פוגע במעבר החום על ידי דחיסת ליבת האדים והעביית שכבת הנוזל (באמצעות עיבוי ממוצע ואפקטים צנטריפוגליים בזרימה טבעתית), ובכך מגביר את ההתנגדות התרמית. כתוצאה מכך, מומלץ להגדיר מרווח תכנוני מתאים עבור יישומים ימיים. נא לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של איור זה.

שטף מסהאדילחץקוטר צינור (mm)זווית עטיפהקוטר ליפוף (m)מחזור גלגול (s)אמפליטוד גלגול (m)
kg/(m2·s)איכותMPa°
350–5500.1–0.93–510422–52–3

טבלה 1: תנאי עבודה מסומלנצים. טבלה 1 מסכמת את תנאי הסימולציה עבור תערובת פחמימנים קלה במקטע ההנשיה של תהליך תעשייתי ממשי15. נוזל העבודה מורכב ממתאן, פרופאן, איזופנטאן, אתילן וחנקן, עם יחס מולרי של 55.314:1.407:0.04:23.709:19.53. נעשה שימוש בתכונות המופקות מ-NIST REFPROP כדי ללכוד במדויק את ההתנהגות הבלתי-ליניארית של התערובת ההומוגנית בכל תנאי ההפעלה, תוך מזעור העלות החישובית.

דיון

תצורת שלושת המקטעים, החיונית להבטחת מהימנות הסימולציה, מבססת תנאי זרימה מפותחים במלואם במעלה הזרם של מקטע הבדיקה ומדכאת זרימה חוזרת בפתח היציאה, ובכך מייעלת את דיוק התוצאות החזויות. נקודת מבט זו באה לידי ביטוי גם במחקרים קודמים על צינורות אופקיים1. במהלך תהליך יצירת הרשת במחקר זה, גובה הרשת בשכבה הראשונה, מספר שכבות הגבול ודרישת האיכות האורתוגונלית המינימלית הם קריטיים באותה מידה, שכן הם משפיעים ישירות על דיוק תוצאות הסימולציה. שטף מסה, איכות האדה (vapor quality) ולחץ רוויה משפיעים באופן משמעותי על מעבר חום בעיבוי ועל מפל הלחץ. הגדלת שטף המסה מגבירה את מהירות האדה ואת הגזירה הבין-פזית, ובכך מעלה הן את מקדם מעבר החום והן את מפל הלחץ החיכוכי. הגדלת איכות האדה מחזקת גם היא את הגזירה הבין-פזית ומקדמת את המעבר מזרימה שכבתית לעבר זרימה טבעתית וזרימת ערפל. לעומת זאת, הגדלת לחץ הרוויה מפחיתה הן את מקדם מעבר החום והן את מפל הלחץ החיכוכי. מגמות אלו עולות בדרך כלל עם מחקרים ניסיוניים ונומריים קודמים של עיבוי פחמימנים6,7,8,9,13. עבור תערובות שאינן אזאוטרופיות, יש לשקול גם התנגדות נוספת למעבר מסה הנגרמת מחלוקה מחדש של הרכיבים בקרבת הממשק בין האדה לנוזל10,11,12.

ממצא חשוב הוא שתנועת גלגול יכולה לשפר או להחמיר את מעבר החום בעיבוי. בטווח שנבדק, תקופת הגלגול משנה את ביצועי מעבר החום בערך ב-±20%, בעוד שאמפליטודת הגלגול יוצרת שינויים של כ-±10%. התנהגות זו נובעת בעיקר מהשפעות משולבות של טורבולנציה בשכבת הנוזל ושינויים בעובי השכבה. טורבולנציה מוגברת או שכבת נוזל דקה יותר משפרות את מעבר החום, בעוד שטורבולנציה מופחתת או עיבוי של השכבה מובילים להרעה. לפיכך, התגובה הכוללת של מעבר החום תלויה בתחרות בין שני מנגנונים אלו. יש לשקול מספר סוגיות חישוביות בעת יישום שיטה זו. מכיוון שמעבר החום ומפל הלחץ החזויים רגישים לעובי שכבת הנוזל ולהתנהגות הממשק, נדרשת רזולוציית רשת מספקת בקרבת הדופן וצעד זמן מתאים. בנוסף, אין להעריך התכנסות רק על בסיס שאריות (residuals). יש לנטר גם גדלים פיזיקליים מרכזיים, כולל טמפרטורה, לחץ, שבר נפחי של אדים ומפל לחץ, כדי להבחין בין תנודות חישוביות לבין תנודות ממשיות המושרה על ידי הגלגול.

עם זאת, במחקר זה נבחנו מספר מוגבל של תנאי התגלגלות, ועדיין נדרשות בדיקות פרמטריות נרחבות יותר כדי להשיג הבנה מקיפה יותר של השפעת תנאי הפעלה דינמיים על ביצועי העיבוי. ביישומים מעשיים של LNG במערכות ימיות, מחליפי חום עשויים לחוות תנועות מורכבות בשש דרגות חופש הנגרמות מתנועת כלי השיט, כולל תנועות משולבות של גלילה (rolling), השכבה (pitching) וסבוב (yawing). השפעות דינמיות אלו עשויות לשנות באופן רציף את שדה הכבידה, את מבני הזרימה המשנית ואת התפלגות שכבת הנוזל בתוך הצינור ההליקלי, ובכך להשפיע על מאפייני מעבר החום המקומי ומפל הלחץ. לכן, מחקרים עתידיים צריכים לבחון את ההשפעות המשולבות של אמפליטודות גלילה, תדרים וכיווני תנועה שונים, כדי לבסס מסגרת הערכה מלאה יותר של ביצועי מחליפי חום מסוג סליל הליקלי בסביבות ימיות.

בנוסף, נדרשת תיקוף נוסף באמצעות נתוני תפעול מעשיים, במיוחד בהתחשב בהבדל בין נוזל העבודה שאומץ במחקר זה לבין תערובות הפחמימנים הבלתי-אזאוטרופיות המשמשות בתהליכי LNG תעשייתיים בפועל. במערכות LNG אמיתיות, קררים מעורבים מראים בדרך כלל הסטת טמפרטורה (temperature glide) משמעותית והתנהגות שיווי משקל פאזה מורכבת עקב האינטראקציות בין רכיבים מרובים. מאפיינים אלו עשויים להשפיע על מנגנון העיבוי, מעבר מסה בין-פסי ועל תכונות תרמו-פיזיקליות מקומיות. אף על פי שהמודל הנוכחי חוזה בהצלחה את המגמות הכלליות של הזרימה והמעבר החום, נדרשות בדיקות ניסיוניות באמצעות קררים מעורבים מעשיים בעלי חמישה רכיבים, כגון תערובות של nitrogen/methane/ethylene/propane/isopentane, על מנת לאמת עוד יותר את מהימנות המודל ולשפר את התאימות שלו לתנאים תעשייתיים.

יתרה מכך, השמישות של מודל הטורבולנציה הנבחר בתנאים של זרימת ערפל-טבעתית (annular-mist flow) בעלת איכות אדים גבוהה דורשת חקירה נוספת. במשטר זרימה זה, עשויות להתרחש דפורמציות בין-פזיות חזקות, סחיפת טיפות ואינטראקציות טורבולנציות עזות, שמובילות למנגנונים מורכבים של חילופי תנע ואנרגיה בין ליבת האדים לשלב הנוזלי. מודלים קונבנציונליים של טורבולנציה עלולים להכניס אי-ודאות כאשר הם חוזים את מאפייני הזרימה הדו-פזית האניזוטרופיים מאוד הללו. לכן, מחקרים עתידיים עשויים לשקול מודלים מתקדמים של טורבולנציה, מתאמי כוחות בין-פזיים משופרים, או שיטות נומריות המגשמות את הממשק (interface-resolving) כדי לשפר את דיוק החיזוי תחת תנאי הפעלה קיצוניים. אמינות התוצאות הנומריות בלחצי הפעלה העולים באופן משמעותי על הטווח שנחקר במחקר זה (3–5 MPa) דורשת אף היא אימות נוסף באמצעות נתונים ניסיוניים רחבים יותר. שינויים בלחץ עשויים להשפיע רבות על התכונות התרמו-פיזיקליות של קרר, על מאפייני שיווי המשקל של הפאזות ועל התנהגות העיבוי, מה שעלול להוביל לסטיות בין התחזיות הנומריות לביצועים בפועל. באופן דומה, המחקר הנוכחי בחן שטפי מסה בטווח של 350–550 kg/(m2·s), בעוד שמחליפי חום של LNG עשויים לפעול בשטפי מסה גבוהים יותר. השאלה האם המודל הנומרי המוצע שומר על דיוק מספיק ועל שמישות כללית בשטפי מסה גבוהים יותר טרם אומתה, ודורשת מחקרים ניסיוניים ונומריים נוספים.

על אף מגבלות אלו, המחקר הנוכחי מספק תובנות תיאורטיות משמעותיות והכוונה כמותית לתכנון ואופטימיזציה של מחליפי חום בעלי סליל הלייקוייד (helical-coil) עבור יישומי LNG. בטווח התפעולי שנבדק, הגדלת מרווח התכנון בכ-20% יכולה לפצות ביעילות על ירידת הביצועים הנגרמת מתנאי הגלגול, ובכך לספק גישה הנדסית מעשית להבטחת פעולה אמינה בסביבות דינמיות במקומות מרוחקים מהחוף (offshore). הממצאים תורמים לא רק להבנה מעמיקה יותר של מאפייני עיבוי במחליפי חום בעלי סליל ספירלי תחת תנאי תנועה, אלא מספקים גם סימוכין בעלי ערך לפיתוח מערכות יעילות ועמידות יותר להעברת חום של LNG.

גילויים

המחברים מצהירים כי אין להם ניגודי עניינים פיננסיים ידועים או מערכות יחסים אישיות שעלולים היו להיראות כמשפיעים על העבודה המדווחת במאמר זה.

תודות

מחקר זה נתמך על ידי פרויקט המחקר הבסיסי לאוניברסיטאות של מחלקת החינוך של מחוז ליאונינג (LJ212512594008 עבור Xianshi Fang), ומעבדה מרכזית של שנייאנג לטכנולוגיית בדיקת מוצרים תעשייתיים וציוד בדיקה חכם (JC2503, JC2512).

חומרים

רשימת החומרים שנעשה בהם שימוש במאמר זה
שםחברהמספר קטלוגהערות
FluentANSYS2020r1תוכנת סימולציה
SpaceClaimANSYS2020r1תוכנת מידול

מקורות

  1. Cai W, Fang X, Chen J. The core liquefaction facility in many floating liquefaction facilities is the spiral-wound heat exchanger. In: Sustainable Liquefied Natural Gas. Elsevier; 2024:85-123.
  2. Yu J, Huo R, Shen H, et al. A simulation study on the condensation flow and thermal control characteristics of mixed refrigerant in a dimpled tube. Appl Therm Eng. 2023;120889.
  3. Li J, Hu H, Wang H. Numerical investigation on flow pattern transformation and heat transfer characteristics of two-phase flow boiling in the shell side of LNG spiral wound heat exchanger. Int J Therm Sci. 2020;152:106289.
  4. Fang X, Qiu G, Chen J, et al. A new frictional pressure drop correlation based on flow patterns for hydrocarbon refrigerants condensation flow. Int J Refrig. 2025;170:214-223.
  5. Fang X, Qiu G, Li Q, et al. A new heat transfer correlation based on flow patterns for hydrocarbon refrigerants condensation flow. Case Stud Therm Eng. 2024;56:104244.
  6. Fries S, Skusa S, Luke A. Heat transfer and pressure drop of condensation of hydrocarbons in tubes. Heat Mass Transfer. 2019;55:33-40.
  7. Zhuang XR, Gong MQ, Zou X, et al. Experimental investigation on flow condensation heat transfer and pressure drop of R170 in a horizontal tube. Int J Refrig. 2016;66:105-120.
  8. Zhuang XR, Chen GF, Zou X, et al. Experimental investigation on flow condensation of methane in a horizontal smooth tube. Int J Refrig. 2017;78:193-214.
  9. López-Belchí A, Illán-Gómez F, García-Cascales JR, et al. Condensing two-phase pressure drop and heat transfer coefficient of propane in a horizontal multiport mini-channel tube: experimental measurements. Int J Refrig. 2016;68:59-75.
  10. Smit FJ, Meyer JP. Condensation heat transfer coefficients of the zeotropic refrigerant mixture R-22/R-142b in smooth horizontal tubes. Int J Therm Sci. 2002;41:625-630.
  11. Berrada N, Marvillet C, Bontemps A, et al. Heat transfer in-tube condensation of a zeotropic mixture of HFC23/HFC134a in a horizontal smooth tube. Int J Refrig. 1996;19:463-472.
  12. Neeraas BO. Condensation of hydrocarbon mixtures in coil-wound LNG heat exchangers: tube-side heat transfer and pressure drop. Trondheim: Norwegian Institute of Technology; 1993.
  13. Li S, Cai W, Chen J, et al. Numerical study on condensation heat transfer and pressure drop characteristics of ethane/propane mixture upward flow in a spiral pipe. Int J Heat Mass Transfer. 2018;121:170-186.
  14. Qiu GD, Cai WH, Wu ZY, et al. Numerical simulation of forced convective condensation of propane in a spiral tube. J Heat Transfer. 2015;137:041502.
  15. Fang X, Guo Z, Tang K, et al. Numerical Study on Condensation Flow and Heat Transfer of Hydrocarbon Mixtures in Inclined Tubes under Static and Swaying Conditions. Front Heat Mass Transf. 2026; 24(2):18.

הדפסות חוזרות והרשאות

תגיות

מחליף חום בעל צינורות ספירלייםתערובות לא-אזאוטרופיותסימולציה מספריתייצור LNGמפל לחץ חיכוךאמפליטודת גלילהמחזור גלילה
צרו קשר
המליצו לספרייה

פרטיות

תנאי שימוש

מדיניות

זכויות יוצרים © 2026 MyJoVE Corporation. כל הזכויות שמורות.