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.