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Articolo metodologico

Simulazione del flusso di condensazione e del trasferimento di calore in scambiatori di calore a tubo a spirale per miscele di idrocarburi non azeotropiche

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DOI:

10.3791/71595

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8 settembre 2026

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In questo articolo

Sommario

In questo articolo viene presentato un protocollo per la simulazione numerica del trasferimento di calore per condensazione e delle caratteristiche di flusso di miscele di idrocarburi non azeotropiche in scambiatori di calore avvolti a spirale. Questo metodo valuta le condizioni operative e di rotolamento al fine di prevedere i coefficienti di scambio termico e le cadute di pressione.

Abstract

Come componente fondamentale del processo di liquefazione del gas naturale, gli scambiatori di calore a spirale svolgono un ruolo cruciale nella produzione di LNG. Per comprendere in modo esaustivo le caratteristiche del flusso di condensazione e del trasferimento di calore delle miscele idrocarburiche non azeotropiche all'interno di tubi spiralati. L'indagine numerica ad alta precisione di questo studio segue un flusso di lavoro ben definito, che comprende la creazione della geometria mediante uno strumento di modellazione professionale, la generazione della mesh tramite un software dedicato, il calcolo numerico all'interno di un risolutore commerciale (con monitoraggio in tempo reale della convergenza) e un post-processing quantitativo. Questo approccio integrato garantisce l'elevata fedeltà del modello numerico risultante. Le deviazioni massime rispetto ai dati sperimentali classici (dati sperimentali di Neeraas) rimangono inferiori al 15% per il coefficiente di scambio termico e inferiori al 10% per il gradiente di caduta di pressione dovuta all'attrito. I risultati della simulazione rivelano che la variazione dei periodi e delle ampiezze di oscillazione produce tendenze oscillatorie simili nel processo di trasferimento di calore, mostrando sia effetti di potenziamento che di riduzione. In particolare, il periodo di oscillazione modifica le prestazioni di scambio termico del ±20%, mentre l'ampiezza di oscillazione le influenza del ±10%.

Introduzione

Il gas naturale, come combustibile fossile relativamente pulito, emette notevolmente meno anidride carbonica e altri inquinanti durante la combustione rispetto al carbone e al petrolio. Nella transizione globale verso sistemi energetici rinnovabili, il gas naturale è spesso considerato un «combustibile di transizione» grazie alla sua capacità di mantenere la stabilità e l'affidabilità dell'approvvigionamento energetico1. Mediante liquefazione, il gas naturale in forma gassosa viene raffreddato fino a diventare un liquido criogenico (GNL), riducendone il volume di un fattore di circa 600, il che facilita notevolmente il trasporto e lo stoccaggio2. Lo scambiatore di calore avvolto a spirale (SWHE) è un componente centrale nel processo di liquefazione del gas naturale. Questo tipo di scambiatore di calore è costituito da una serie di tubi spiraliformi fissati all'interno di un mantello cilindrico, avvolti strato dopo strato in direzioni opposte attorno a un mandrino centrale, con distanziali che separano gli strati per garantire un'adeguata spaziatura per lo scambio termico. Grazie alla sua configurazione a spirale, lo SWHE offre una grande superficie di scambio termico in un ingombro ridotto3. Questa progettazione compatta lo rende particolarmente adatto all'integrazione in grandi impianti, specialmente su piattaforme offshore galleggianti dove lo spazio è fortemente limitato. Nei processi di liquefazione a refrigerante misto comunemente utilizzati nella produzione di GNL, idrocarburi non azeotropici scorrono verso l'alto all'interno dei tubi, mentre il fluido freddo nel lato mantello scorre verso il basso in modo controcorrente attraverso gli spazi tra i tubi. In queste condizioni, il processo principale nel lato tubi è la condensazione degli idrocarburi non azeotropici all'interno dei tubi spiraliformi, che coinvolge un complesso flusso bifase gas-liquido4,5.

Per prevedere con precisione le caratteristiche di flusso e di trasferimento del calore durante la condensazione all'interno dei tubi, sono state condotte numerose ricerche. Per gli alcani a singolo componente, Fries et al.6 hanno misurato le caratteristiche di trasferimento del calore durante la condensazione del propano in tubi orizzontali, scoprendo che la caduta di pressione aumentava al diminuire del diametro del tubo e della pressione di saturazione. Hanno inoltre osservato che la gravità causava un coefficiente di trasferimento del calore inferiore nella parte inferiore del tubo rispetto alla parte superiore. Zhuang et al.7,8 hanno studiato la condensazione di metano ed etano in tubi orizzontali, dimostrando che il coefficiente di trasferimento del calore e la caduta di pressione dovuta all'attrito aumentavano con la portata e la qualità del vapore. Uno studio precedente9 ha analizzato il processo di condensazione del propano in microcanali, confermando che le tendenze di trasferimento del calore e di caduta di pressione erano simili a quelle nei canali convenzionali. Per i refrigeranti in miscela, Smit et al.10 hanno esaminato la condensazione di miscele R22/R142b in tubi orizzontali, scoprendo che a basse portate massiche, l'aumento della frazione massica di R142b riduceva significativamente il coefficiente di trasferimento del calore. Berrada et al.11 hanno studiato una miscela R134a/R23 e hanno riscontrato che la variazione di temperatura aveva un effetto minimo sul trasferimento del calore in diverse proporzioni di componente. Neeraas ha condotto esperimenti su miscele di etano/propano in tubi spiralati, notando che l'effetto di miscelazione influenzava in modo significativo il calcolo del coefficiente di trasferimento del calore durante la condensazione12. Nelle simulazioni numeriche, Li et al.13 hanno simulato il processo di condensazione di etano/propano, mostrando che il coefficiente di trasferimento del calore e la caduta di pressione dovuta all'attrito diminuivano all'aumentare della pressione di saturazione. Qiu et al.14 hanno introdotto l'effetto di trascinamento tra vapore e liquido durante la simulazione della condensazione del propano in tubi spiralati; i loro risultati hanno mostrato che considerare questo effetto riduceva lo scostamento tra i dati simulati e quelli sperimentali a meno del 25%.

Nonostante la vasta ricerca su diversi fluidi operativi e configurazioni di canali, permane un notevole divario tra i fluidi puri o binari tipicamente studiati in letteratura e le miscele multicomponente utilizzate nella produzione industriale di GNL. In particolare, le indagini numeriche rivolte a miscele idrocarburiche non azeotropiche con tre o più componenti all'interno di canali di flusso complessi risultano estremamente limitate15. Inoltre, per quanto riguarda l'applicazione specifica delle piattaforme offshore per la produzione di GNL, manca ancora una comprensione completa di come il movimento delle apparecchiature causato dall'ambiente marino alteri il flusso di condensazione e il comportamento del trasferimento di calore. Per colmare queste lacune di ricerca, lo studio combina simulazioni di dinamica dei fluidi computazionale (CFD) con dati sperimentali esistenti al fine di sviluppare un modello dettagliato tridimensionale del flusso bifase in condensazione. Vengono confrontati e analizzati il coefficiente di scambio termico simulato e la caduta di pressione dovuta all'attrito sulla base di dati sperimentali classici. Partendo da questo modello, l'articolo si concentra sulla simulazione del processo di condensazione di composizioni rappresentative di giacimenti gassosi in tubi spiralati, in particolare in condizioni di rollio, per investigare i meccanismi sottostanti con cui il moto complesso influenza il trasferimento di calore in condensazione multicomponente. Questo studio fornisce una solida base teorica e indicazioni ingegneristiche per la progettazione e l'ottimizzazione di scambiatori di calore ad alta efficienza nei processi di liquefazione del gas naturale offshore.

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Protocollo

Poiché questo studio si concentra sulle caratteristiche locali del trasferimento di calore e della caduta di pressione durante la condensazione all'interno del tubo elicoidale, è possibile utilizzare un dominio ridotto una volta che il flusso è completamente sviluppato, consentendo una rappresentazione accurata del comportamento termico e del flusso locale. Per la validazione rispetto ai dati sperimentali, viene costruito un modello di tubo elicoidale in tre sezioni basato sul modello fisico proposto da Neeraas12, con un diametro del tubo di 14 mm, un angolo di elica di 10° e un diametro della spirale di 2 m. Il modello comprende tre regioni: una sezione completamente sviluppata (0,6 m), una sezione di prova (0,2 m) e una sezione di stabilizzazione della pressione (0,2 m). La sezione completamente sviluppata garantisce che il flusso sia sufficientemente sviluppato prima di entrare nella regione di interesse. La sezione di prova viene utilizzata per il confronto con i dati sperimentali e per l'analisi dettagliata delle caratteristiche locali del flusso e del trasferimento di calore. La sezione di stabilizzazione della pressione è progettata per mantenere la stabilità della pressione in uscita e prevenire il flusso inverso, evitando così interferenze con i risultati ottenuti nella sezione di prova. Il software specifico per la modellazione proviene dalla Tabella dei Materiali.

1. Modello fisico e mesh

  1. Aprire il software di modellazione. Nella barra di stato inferiore, selezionare Modalità schizzo e fare clic sul piano Z–X per entrare nell'ambiente di schizzo.
  2. Nella barra degli strumenti superiore, selezionare lo strumento Cerchio. Disegnare un cerchio all'origine con un diametro di 14, quindi premere Invio. Fare clic su Ritorna alla modalità 3D nella barra degli strumenti superiore. Il cerchio di schizzo verrà convertito in una superficie.
  3. Selezionare la superficie circolare generata. Fare clic sullo strumento Sposta (scorciatoia: M) nella barra degli strumenti superiore. Un manipolatore triassiale (manopola a tre assi) apparirà sulla superficie. Trascinare la sfera gialla al centro del manipolatore fino all'origine globale (0, 0, 0), che fungerà da riferimento per rotazione e traslazione.
  4. Trascinare la freccia rossa lungo l'asse X, inserire 1000 mm e premere Invio. Rotazione: fare clic sull'anello di rotazione attorno all'asse X (arco blu o verde), inserire 10° e premere Invio.
  5. Fare clic sullo strumento Pull (scorciatoia: P) nella barra degli strumenti superiore e selezionare la superficie circolare. Nel pannello sinistro, scegliere l'opzione Revolve. Quindi selezionare l'asse Z del sistema di coordinate globale come asse di rotazione. Abilitare l'opzione Helix nel pannello sinistro. Crea Volume 1: nella casella di inserimento o nel pannello sinistro, inserire un'altezza di 138,87 mm e un angolo di 45,16°, quindi premere Invio. Il primo dominio fluido viene generato.
  6. Crea Volume 2: selezionare la nuova faccia terminale di Volume 1. Ripetere l'operazione di estrusione elicoidale, utilizzando nuovamente l'asse Z come asse di rotazione. Inserire un'altezza di 69,44 e un angolo di 22,58°.
  7. Crea Volume 3: selezionare la nuova faccia terminale di Volume 2. Creare Volume 3 con gli stessi parametri di Volume 2 utilizzando lo stesso metodo.
  8. Fare clic sulla scheda Workbench nella barra del menu superiore. Fare clic sul pulsante Condividi. Il software evidenzierà automaticamente le due facce che si intersecano tra i tre volumi. Fare clic sul pulsante Completa (segno di spunta) a destra.
  9. Fare clic sulla scheda Gruppi nel pannello sinistro. Selezionare la faccia circolare iniziale del primo volume, quindi fare clic su Crea selezione denominata e definirla come ingresso (in).
  10. Selezionare la faccia circolare finale del terzo volume, premere Ctrl + G per creare un gruppo e definirla come uscita (out).
  11. Selezionare le superfici cilindriche esterne dei tre volumi e definirle come contorni di parete: wall1, wall2 e wall3.
  12. Nell'albero strutturale a sinistra, tenere premuto Ctrl e selezionare i tre solidi. Premere Ctrl + G per creare un gruppo e rinominarlo come fluido.
  13. Collegare la geometria generata al modulo Mesh e fare doppio clic per aprire il software di generazione della mesh. Nell'albero a sinistra, fare clic su Mesh. Nel pannello Dettagli in basso a sinistra, espandere Sizing e impostare la Dimensione elemento a 3.
  14. Fare clic con il tasto destro su Mesh nell'albero, Inserisci, Sizing. Selezionare la superficie di ingresso (in) come geometria e fare clic su Applica. Impostare la Dimensione elemento a 0,6.
  15. Fare clic con il tasto destro su Mesh, Inserisci, Inflation. Geometria: selezionare tutti e tre i domini fluidi e fare clic su Applica. Contorno: selezionare le superfici esterne della parete definite come wall, quindi fare clic su Applica. Cambiare l'opzione in Spessore primo strato. Altezza primo strato: 0,01 mm. Numero massimo di strati: 15. Fattore di crescita: 1,25.
  16. Fare clic con il tasto destro su Mesh, Inserisci, Metodo. Selezionare i tre domini fluidi e fare clic su Applica. Nel menu a discesa Metodo, scegliere Sweep. In questa Selezione, selezionare Sorgente manuale. Scegliere la superficie di ingresso (in) come faccia sorgente e fare clic su Applica.
  17. Fare clic con il tasto destro su Mesh nell'albero e selezionare Genera mesh. In questo studio, la qualità della mesh è stata rigorosamente controllata. La Qualità ortogonale minima della mesh generata è superiore a 0,90.

2. Funzionamento del software di simulazione

  1. Aprire il software di risoluzione. Andare alla scheda File e, sotto Read, selezionare Mesh. Quindi andare su Scale Mesh e impostare Mesh Was Created In su mm.
  2. Nelle impostazioni del risolutore, selezionare il risolutore basato sulla pressione, scegliere Assoluto per la formulazione della velocità e abilitare l'opzione Transiente per il tempo.
    NOTA: Sovrapponendo l'equazione di oscillazione a un caso di riferimento stazionario e implementandola tramite una funzione definita dall'utente, il sistema di coordinate mobile può rappresentare la condizione oscillante.
  3. Fare clic su User-Defined, quindi selezionare Functions. Nella sezione Interpreted UDFs, caricare il file di oscillazione compilato.
    NOTA: Il moto risultante è espresso come mostrato nell'Equazione (1). È stata adottata e implementata una metodologia a mesh statica utilizzando un sistema di coordinate mobile. La fisica fondamentale del fenomeno di sloshing si basa sul moto relativo del fluido rispetto al contorno del contenitore. L'eccitazione del sloshing è rappresentata come termini sorgente di accelerazione dinamica equivalenti nelle equazioni della quantità di moto, consentendo una riproduzione completa delle forze fluidodinamiche dinamiche su una mesh stazionaria.
    Equazione del moto armonico X=Xsin(2πt/Tc)max, formula, fisica, analisi di onda sinusoidale.      (1)
    Nell'equazione, Tc rappresenta il periodo di oscillazione laterale e X indica lo spostamento generato dall'oscillazione.
  4. Impostare l'accelerazione gravitazionale nella direzione Y a −9,81 m/s2. Sotto Models, abilitare Energy e attivare l'Energy Equation.
  5. Sotto Models, abilitare Viscous e selezionare il Reynolds Stress Model (7 equazioni). Nelle impostazioni del modello Reynolds Stress, scegliere Linear Pressure-Strain. Per il trattamento della zona prossima alla parete, selezionare Scalable Wall Functions.
  6. In Phases, impostare Phase-1 (Fase primaria) come gas e Phase-2 (Fase secondaria) come liquid. Sotto Global Options, abilitare la modellizzazione della forza di tensione superficiale e selezionare il modello Continuum Surface Force.
    NOTA: È stato adottato un approccio pseudo-fluido equivalente basato su proprietà termofisiche dipendenti da temperatura e pressione, metodologia ampiamente accettata negli studi CFD su miscele multicomponente. Data una composizione iniziale fissa della miscela, le proprietà termofisiche dipendenti dallo stato—including densità, viscosità dinamica, conducibilità termica, capacità termica specifica e caratteristiche di saturazione—sono state calcolate e generate utilizzando il database NIST REFPROP su tutto l'intervallo operativo di temperatura e pressione. Nello studio attuale, la miscela mantiene una composizione macroscopica omogenea per tutta la durata della simulazione. L'utilizzo di proprietà variabili derivate da NIST cattura accuratamente le caratteristiche termofisiche non lineari del fluido multicomponente evitando un sovraccarico computazionale non necessario.
  7. Prendendo come esempio una miscela etano–propano, con una qualità di vapore pari a 0,56 e una pressione di 3,2 MPa, definire le proprietà della fase liquida in Materials come segue:
    1. Densità: 393,06 kg/m3
    2. Capacità termica specifica (Cp): 3866,4 J/(kg·K)
    3. Conducibilità termica: 0,078798 W/(m·K)
    4. Viscosità: 5,4796 × 10⁻5 Pa·s
    5. Peso molecolare: 37,115 kg/kmol
    6. Entalpia allo stato standard: 0
    7. Temperatura di riferimento: 321 K
  8. In Materials, definire le proprietà della fase gassosa come segue:
    1. Densità: 67,49 kg/m3
    2. Capacità termica specifica (Cp): 3488,7 J/(kg·K)
    3. Conducibilità termica: 0,03035 W/(m·K)
    4. Viscosità: 1,129 × 10⁻5 Pa·s
    5. Peso molecolare: 34,756 kg/kmol
    6. Entalpia allo stato standard: 0
    7. Temperatura di riferimento: 321 K
  9. Impostare la condizione al contorno di ingresso come Mass-Flow Inlet (flusso massico 300 kg/(m2·s)), l'uscita come Pressure Outlet (0 MPa) e la condizione al contorno della parete come Heat Flux (-10340 W/m2).
  10. Sotto Methods, selezionare l'algoritmo PISO per i metodi di soluzione. Per la Frazione di volume, scegliere Geo-Reconstruct.
    NOTA: Sebbene il metodo volume-of-fluid (VOF) sia ampiamente accettato per tracciare l'evoluzione topologica della superficie libera su scala macroscopica nei processi di sloshing e di cambio di fase termico, permangono limitazioni intrinseche nella precisione di cattura dell'interfaccia e nella rappresentazione delle fluttuazioni interfaciali su scala microscopica. La formulazione VOF dipende fondamentalmente dalle frazioni di volume della fase nelle celle discrete. Lo schema Geo-Reconstruct impiegato in questo caso attenua significativamente la diffusione numerica; tuttavia, la risoluzione di microgocce sub-griglia, formazione di spruzzi o strutture interfaciali microscopiche rimane strettamente limitata dal grado di raffinamento locale della griglia. Per la dinamica del sloshing su larga scala, la convezione termica globale e le leggi di trasferimento di massa per cambio di fase, prioritari in questa indagine, l'attuale quadro VOF con circa 1,42 milioni di elementi griglia raggiunge un equilibrio ottimale tra accuratezza topologica e costo computazionale.
  11. In Monitors, configurare il monitoraggio di:
    1. Pressione all'ingresso e all'uscita del tratto di prova.
    2. Temperatura all'ingresso e all'uscita.
    3. Temperatura della parete.
    4. Frazione di volume all'ingresso e all'uscita.
      NOTA: Il criterio di convergenza per il residuo energetico è impostato a 1 × 10⁻8, mentre per i restanti parametri è impostato a 1 × 10⁻4. Variabili globali cruciali, tra cui la temperatura media pesata per area e la caduta totale di pressione lungo il tratto di prova, sono state monitorate dinamicamente. Il calcolo è proseguito finché tali variabili non hanno mostrato ulteriori fluttuazioni, assicurando che il campo di flusso avesse raggiunto uno stato completamente sviluppato e stabile.
  12. Selezionare l'inizializzazione standard come metodo di inizializzazione, calcolando da tutte le zone. Dopo l'inizializzazione, nel pannello Run Calculation, impostare: Time Step Size: 1 × 10⁻4 s e Number of Time Steps: 1 × 106.

3. Configurazione della post-elaborazione e dell'esportazione dei dati

  1. Nel pannello Calculation Activities, fare clic su Autosave (Every Flow Time) per aprire la finestra Autosave. Nelle impostazioni di Autosave, impostare Save Data File Every [s] a 0,01 e specificare Flow Time come tipo di intervallo di salvataggio. Per il tipo Save Associated Case Files, selezionare Only if Modified, quindi fare clic su OK.
  2. Aprire la finestra Contours dal pannello Results. Nelle impostazioni di Contours, attivare le opzioni Filled, Node Values, Boundary Values, Global Range e Auto Range.
  3. Selezionare Phases come tipo di contour e Volume Fraction come variable, quindi specificare la fase-1 come fase di riferimento. Infine, fare clic su Save/Display per visualizzare la distribuzione del contorno.
    NOTA: Il coefficiente di scambio termico è calcolato come il flusso termico alla parete diviso per la forza motrice termica, ottenuta dalla differenza di temperatura tra ingresso e uscita del tratto di prova. In condizioni di sloshing, si adotta il coefficiente di scambio termico mediato nel tempo. La caduta di pressione è determinata monitorando la differenza tra le pressioni di ingresso e di uscita, e il gradiente di caduta di pressione dovuto all'attrito è successivamente calcolato come rapporto tra questa caduta di pressione e la lunghezza del tratto di tubo.
  4. Importare i dati ottenuti in Excel, ad esempio i valori di temperatura e pressione in ingresso e in uscita.
  5. Calcolare la differenza di temperatura e la differenza di pressione tra ingresso e uscita secondo il metodo di calcolo descritto nella sezione 3.3.

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Risultati

Utilizzando il modello numerico validato, è stato simulato il processo reale di liquefazione per analizzare sistematicamente le variazioni del coefficiente di scambio termico e della caduta di pressione dovuta all'attrito al variare dei parametri operativi, fornendo così una base teorica per la progettazione e l'ottimizzazione degli scambiatori di calore. Le principali conclusioni possono essere riassunte come segue: nella condensazione di un fluido puro, lo scambio termico è principalmente confinato al film liquido adia...

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Discussione

Fondamentale per garantire l'affidabilità della simulazione, la configurazione a tre sezioni stabilisce condizioni di flusso completamente sviluppato a monte della sezione di prova e sopprime il flusso inverso all'uscita, ottimizzando così l'accuratezza dei risultati previsti. Questo punto di vista è stato rispecchiato anche in studi precedenti su tubi orizzontali1. Durante il processo di generazione della griglia in questo studio, l'altezza della mesh del primo strato, il numero di strati limite ...

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Dichiarazioni

Gli autori dichiarano di non avere interessi finanziari concorrenti noti o relazioni personali che potrebbero aver influenzato il lavoro descritto in questo articolo.

Ringraziamenti

Questa ricerca è sostenuta dal Progetto di Ricerca di Base per le Università del Dipartimento Provinciale dell'Istruzione di Liaoning (LJ212512594008 per Xianshi Fang), e dal Laboratorio Chiave di Shenyang per la Tecnologia di Prova dei Prodotti Industriali e le Attrezzature Intelligenti per le Prove (JC2503, JC2512).

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Materiali

Elenco dei materiali utilizzati in questo articolo
NomeAziendaNumero di catalogoCommenti
FluentANSYS2020r1software di simulazione
SpaceClaimANSYS2020r1software di modellazione

Riferimenti

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