非共沸系炭化水素混合物におけるスパイラル管熱交換器内の凝縮流および伝熱のシミュレーション

サマリー

本記事では、スパイラル巻熱交換器における非共沸炭化水素混合物の凝縮伝熱および流れの特性を数値シミュレーションするためのプロトコルを提示します。この手法では、運転条件および巻き条件を評価し、伝熱係数と圧力損失を予測します。

要約

天然ガス液化プロセスの基幹構成要素として、らせん管式熱交換器はLNG製造において極めて重要な役割を果たします。本研究では、らせん管内部における非共沸炭化水素混合物の凝縮流および伝熱特性を包括的に理解することを目的としています。本研究における高精度な数値解析は、専門的なモデリングツールによる形状作成、専用のメッシングソフトウェアによるメッシュ生成、商用ソルバーによる数値計算（リアルタイムの収束監視を含む）、および定量的なポスト処理からなる明確なワークフローに基づいて行われました。この統合的なアプローチにより、得られた数値モデルの高い忠実度が確保されています。古典的な実験データ（Neeraasの実験データ）との最大偏差は、伝熱係数で15%未満、摩擦圧力損失勾配で10%未満に抑えられています。シミュレーションの結果、ローリング周期と振幅を変化させると、伝熱プロセスにおいて同様の振動傾向が見られ、促進効果と低下効果の両方が現れることが明らかになりました。具体的には、ローリング周期は伝熱性能を±20%変化させ、ローリング振幅は±10%影響を及ぼします。

概要

天然ガスは、比較的クリーンな化石燃料であり、燃焼時に石炭や石油よりも二酸化炭素やその他の汚染物質を大幅に少なく排出します。再生可能エネルギーシステムへの世界的な移行において、天然ガスはエネルギー供給の安定性と信頼性を維持できる能力を持つため、しばしば「ブリッジ燃料」と見なされています¹。液化によって、気体の天然ガスは極低温の液体（LNG）に冷却され、体積が約600分の1に減少するため、輸送と貯蔵が非常に容易になります²。らせん管式熱交換器（SWHE）は、天然ガス液化プロセスの中心的なコンポーネントです。このタイプの熱交換器は、中心のマンドレル（芯金）の周囲に層状に逆方向に巻かれ、円筒状のシェル内に固定された一連のらせん管で構成されており、層間には熱交換に十分な隙間を確保するためのスペーサーが配置されています。らせん構造であるため、SWHEは小さな設置面積で大きな伝熱表面積を提供できます³。このコンパクトな設計により、大規模施設、特にスペースが厳しく制限される海洋浮体式生産プラットフォームへの統合に非常に適しています。LNG生産で一般的に使用される混合冷媒液化プロセスでは、非共沸系炭化水素が管内を上昇し、一方でシェル側の冷媒が管束内の隙間を向流方向に下降します。このような条件下で、管側の中心的なプロセスとなるのが、らせん管内における非共沸系炭化水素の凝縮であり、これには複雑な気液二相流が関与しています^4,5。

管内凝縮の流動および伝熱特性を正確に予測するために、広範な研究が行われてきました。単一成分アルカンについて、Friesら⁶は水平管内におけるプロパンの凝縮伝熱特性を測定し、管径および飽和圧力が低下するにつれて圧力損失が増加することを見出しました。また、重力の影響により、管底部の伝熱係数が管上部よりも低くなることも指摘しました。Zhuangら^7,8は水平管内におけるメタンおよびエタンの凝縮を研究し、伝熱係数と摩擦圧力損失が流量および蒸気質とともに増加することを示しました。先行研究⁹ではマイクロチャネル内におけるプロパンの凝縮プロセスを分析し、伝熱および圧力損失の傾向が従来のチャネルと同様であることを確認しました。混合冷媒については、Smitら¹⁰が水平管内におけるR22/R142b混合物の凝縮を調査し、低質量フラックスにおいてR142bの質量分率を増加させると伝熱係数が大幅に低下することを見出しました。Berradaら¹¹はR134a/R23混合物を研究し、異なる成分比において温度グライドが伝熱に与える影響は小さいことを発見しました。Neeraasはらせん管内におけるエタン/プロパン混合物の実験を行い、混合効果が凝縮伝熱係数の算出に大きな影響を与えることを指摘しました¹²。数値シミュレーションにおいて、Liら¹³はエタン/プロパンの凝縮プロセスをシミュレートし、飽和圧力の増加に伴い伝熱係数と摩擦圧力損失が減少することを示しました。Qiuら¹⁴はらせん管内のプロパン凝縮をシミュレートする際に気液同伴効果を導入し、この効果を考慮することでシミュレーション結果と実験データの偏差を25%未満に抑えられることを示しました。

さまざまな作動流体や流路構成に関する広範な研究が行われているにもかかわらず、文献で一般的に研究されている純流体または二成分流体と、工業的なLNG生産で使用される多成分混合物との間には依然として大きな隔たりがあります。特に、複雑な流路内における3成分以上の非共沸炭化水素混合物を対象とした数値的な調査は、極めて限定的です¹⁵。さらに、オフショアLNGプラットフォームという特殊な用途に関して、海洋環境に起因する装置の運動が凝縮流と伝熱挙動をどのように変化させるかについて、包括的な理解がいまだ不足しています。これらの研究上の課題に対処するため、本研究では数値流体力学（CFD）シミュレーションと既存の実験データを組み合わせ、詳細な三次元二相凝縮流モデルを開発します。古典的な実験データに基づき、シミュレーションによる伝熱係数と摩擦圧力損失を比較・分析します。このモデルに基づき、本論文では特にローリング条件下におけるらせん管内での代表的なガス田組成の凝縮プロセスのシミュレーションに焦点を当て、複雑な運動が多成分凝縮伝熱に及ぼす潜在的なメカニズムを調査します。本研究は、オフショア天然ガス液化プロセスにおける効率的な熱交換器の設計と最適化のための、信頼性の高い理論的根拠とエンジニアリング指針を提供します。

プロトコル

本研究は、ヘリカルチューブ内部での凝縮時における局所熱伝達および圧力損失特性に焦点を当てているため、流れが十分に発達した後は簡略化したドメインを採用することができ、これにより局所的な流れと熱挙動を正確に表現することが可能になります。実験データによる検証のため、Neeraas¹²によって提案された物理モデルに基づき、管径 14 mm、ヘリックス角 10°、コイル径 2 m の3セクションからなるヘリカルチューブモデルを構築しました。このモデルは、十分に発達したセクション（0.6 m）、テストセクション（0.2 m）、および圧力安定化セクション（0.2 m）の3つの領域で構成されています。十分に発達したセクションは、関心領域に入る前に流れが十分に発達することを保証します。テストセクションは、実験データとの比較および局所的な流れと熱伝達特性の詳細な分析に使用されます。圧力安定化セクションは、出口圧力の安定性を維持し、逆流を防止することで、テストセクションで得られる結果への干渉を避けるように設計されています。使用した特定のモデリングソフトウェアについては、材料表（Table of Materials）をご参照ください。

1. 物理モデルとメッシュ

1. モデリングソフトウェアを開きます。下部のステータスバーで、以下を選択してください。 スケッチモード、そして[ ]をクリックします。 Z-X平面 スケッチ環境に入るため。
2. 上部のツールバーで、[ ]を選択します。 円 ツール。原点に直径14の円を描き、次にプレスしてください。 入力クリックします。 3Dモードに戻る 上部のツールバーにあります。これにより、スケッチした円がサーフェスに変換されます。
3. 生成された円形面を選択します。「」をクリックし、 移動 上部ツールバーのツール（ショートカット：M）を選択します。表面にトライアドマニピュレーター（3軸ハンドル）が表示されます。マニピュレーター中央の黄色い球体を、回転と平行移動のリファレンスとなるグローバル原点（0, 0, 0）までドラッグします。
4. 赤色の矢印をX軸に沿ってドラッグし、1000 mmと入力して、Enterキーを押してください。 入力回転：[ ]をクリックしてください。 回転リング X軸の周囲（青または緑の弧）を入力し、 10°、そしてプレスしてください 入力.
5. 〜をクリックしてください。 プルツール （ショートカット：P）を上部ツールバーで選択し、円形面を選択します。左パネルで、以下の項目を選択してください。 回転させる オプションを選択します。次に、回転軸としてグローバル座標系のZ軸を選択します。「有効にする」をオンにします。 ヘリックス 左パネルのオプション。作成 第1巻入力ボックスまたは左側のパネルに、高さを入力します。 138.87 mm および、～の角度で 45.16°、その後、押してください 入力最初の流体ドメインを生成します。
6. 作成 第2巻ボリューム1の新しい端面を選択します。再びZ軸を回転軸として使用し、ヘリカルプル操作を繰り返します。高さに69.44、角度に[数値]を入力します。 22.58°.
7. 作成する 第3巻の新しい端面を選択します。 第2巻同様の方法を用い、ボリューム2と同じパラメータでボリューム3を作成してください。
8. 以下をクリックしてください。 ワークベンチ 上部メニューバーにあるタブをクリックします。 共有 ボタン。ソフトウェアによって、3つのボリュームの中で交差する2つの面が自動的にハイライトされます。以下をクリックします。 完了 右側の（チェックマーク）ボタン。
9. クリックして グループ 左パネルのタブを選択します。最初のボリュームの最初の円形面を選択し、次にクリックします。 名前付き選択の作成 および、それを〜と定義する 入口 (in).
10. 3番目のボリュームの最終円面を選択し、Ctrl + Gを押してグループを作成し、それを出口（out）として定義します。
11. 3つのボリュームの外側円筒面を選択し、それぞれを壁境界：wall1、wall2、wall3として定義します。
12. 左側のストラクチャーツリーで、Ctrlキーを押しながら3つのソリッドを選択します。Ctrl + Gキーを押してグループを作成し、名前をfluidに変更します。
13. 生成されたジオメトリを〜に接続します。 メッシュ モジュールを選択し、ダブルクリックしてメッシングソフトウェアを開きます。左側のツリーで、以下をクリックします。 メッシュ左下の「詳細」パネルで、[項目]を展開します。 サイジング そして、～を設定します。 要素サイズ 3まで。
14. 右クリック メッシュ ツリー内の [Insert] から [Sizing] を選択します。ジオメトリとして流入面 (in) を選択し、クリックします。 適用する設定します。 要素サイズ 0.6まで。
15. 右クリック メッシュ挿入、拡張 幾何学3つの流体ドメインをすべて選択し、クリックします。 適用する. 境界「壁」として定義された外壁面を選択し、クリックします。 適用オプションを〜に変更してください。 第1層の厚さ. 第1層の高さ0.01mm。 最大層数: 15. 増殖速度: 1.25.
16. 右クリック メッシュ、挿入、手法。3つの流体領域を選択し、クリックします。 適用する「Method」ドロップダウンメニューから、以下を選択します。 スイープこの条件下で 選択、選択 マニュアルソース入口表面（in）をソース面として選択し、クリックします。 適用.
17. 右クリック メッシュ ツリー内で選択し メッシュの生成本研究では、メッシュ品質を厳密に制御した。最小の 直交品質 生成されたメッシュの精度が0.90を超えています。

2. シミュレーションソフトの操作

1. 解析ソフトウェアを起動します。以下に移動します。 ファイル タブ、および～の下に 読み取り選択 メッシュその後、〜へ移動します。 スケールメッシュ および設定 メッシュは○○mmで作成された.
2. この ソルバー設定、選択してください 圧力ベースソルバー、選択してください 絶対的 ～のために / ～向けに 速度定式化、および～を可能にする 一過性オプション 時間。
   注：振動方程式を静止参照ケースに重ね合わせ、ユーザー定義関数を通じて実装することで、移動座標系により振動条件を表現することができます。
3. クリック ユーザー定義、その後選択します 機能「Interpreted UDFs」セクションで、コンパイル済みの振動ファイル（oscillation file）をロードします。
   注：得られた運動は式(1)に示す通りに表される。静的メッシュ法が採用され、移動座標系を用いて実装された。スロッシングの基本物理は、容器境界に対する流体の相対運動に基づいている。スロッシングによる励起は、運動量方程式における等価的な動的加速度ソース項として表現されており、これにより静止メッシュ上で動的な流体力を完全に再現することが可能となる。
         (1)
   方程式において、 Tc は揺動周期を表し、 X 揺動によって生じる変位を示す。
4. 設定してください 重力加速度 に Y～への方向 −9.81 m/s²²下で モデル有効にする エネルギー そして、～の電源を入れます。 エネルギー方程式.
5. 下 モデル有効にする 粘性の そして、～を選択します。 レイノルズ応力モデル （7つの式）。この レイノルズ応力モデルの設定、選択してください 線形圧力-歪みのために 壁近傍処理、選択 スケーラブル壁関数.
6. 中へ フェーズ、セット フェーズ1 （第一相）として ガス および フェーズ2 （二次相）として 液体〜の下に グローバルオプション有効にする 表面張力モデル化、そして〜を選択します 連続体表面力モデル.
   注：温度および圧力に依存する熱物理的特性に基づいた等価擬似流体アプローチを採用した。これは、多成分混合物のCFD研究において広く受け入れられている手法である。初期混合組成を固定した状態で、密度、動力粘度、熱伝導率、比熱容量、および飽和特性を含む状態依存の熱物理的特性を、全運転温度および圧力範囲にわたってNIST REFPROPデータベースを用いて算出し、生成した。本研究において、混合物はシミュレーション全体を通じて均質なマクロ組成を維持している。NIST由来の可変特性を利用することで、不要な計算負荷を避けつつ、多成分流体の非線形な熱物理的特性を正確に捉えることができる。
7. エタン–プロパン混合物を例にとると、蒸気乾度0.56、圧力3.2 MPaにおいて、液相の特性を次のように定義する。 材料 翻訳すべきソーステキストが提供されていません。翻訳するテキストを入力してください。
   1. 密度：393.06 kg/m³³
   2. 比熱容量 (Cp): 3866.4 J/(kg·K)
   3. 熱伝導率：0.078798 W/(m·K)
   4. 粘度：5.4796 × 10⁻⁵ Pa·s
   5. 分子量：37.115 kg/kmol
   6. 標準状態エンタルピー：0
   7. 基準温度：321 K
8. 「材料」において、気相の特性を次のように定義します。
   1. 密度：67.49 kg/m³³
   2. 比熱容量 (Cp): 3488.7 J/(kg·K)
   3. 熱伝導率：0.03035 W/(m·K)
   4. 粘度：1.129 × 10⁻⁵ Pa・s
   5. 分子量：34.756 kg/kmol
   6. 標準状態エンタルピー：0
   7. 基準温度：321 K
9. 設定してください 流入境界条件 として 質量流量入口(質量フラックス 300 kg/(m²・s))、その 出口 として 圧力出口(0 Mpa)、および 壁境界条件 として 熱流束(-10340W/m²).
10. 下に 方法、〜を選択します。 PISOアルゴリズム 溶液法のために。 体積分率、選択してください ジオ・リコンストラクト.
    注：VOF（ボリューム・オブ・フルイド）法は、スロッシングや熱的な相変化プロセスにおけるマクロスケールの自由表面のトポロジー進化を追跡する手法として広く受け入れられているが、界面捕捉の精度およびマイクロスケールの界面変動の捕捉には本質的な限界がある。VOFの定式化は、根本的に離散セルの相体積分率に依存している。本研究で採用したGeo-Reconstructスキームは数値拡散を大幅に軽減するが、サブグリッドの微小液滴、スプレー形成、または微細界面構造の解像度は、依然として局所的な格子細分化によって厳格に制限される。本調査で優先したマクロスケールのスロッシングダイナミクス、バルク熱対流、および相変化物質伝達則については、約142万個の格子要素を持つ現在のVOFフレームワークが、トポロジーの精度と計算コストの最適なバランスを実現している。
11. 〜において モニター、以下についてモニタリングを設定します：
    1. 試験区間の入口および出口における圧力。
    2. 入口および出口における温度。
    3. 壁面温度
    4. 入口および出口における体積分率。
       注：エネルギー残差の収束判定基準は1 × 10⁻に設定されています。⁸、一方、残りのパラメータについては1 × 10⁻に設定されている。⁴面積加重平均温度および試験区間における全圧降下を含む重要なグローバル変数を動的にモニタリングした。これらの変数がそれ以上変動しなくなるまで計算を継続し、流れ場が十分に発達し、安定した状態に達したことを確認した。
12. メソッド選択の標準初期化を初期化し、すべてのゾーンから計算します。初期化後、その 計算を実行する パネル, セット: タイムステップサイズ: 1 × 10⁻⁴ および、 タイムステップ数: 1 × 10⁶.

3. 後処理およびデータエクスポート設定

1. Calculation Activitiesパネルで、Autosave（Every Flow Time）をクリックしてオートセーブウィンドウを開きます。オートセーブの設定で、Save Data FileのEvery [s]を0.01に設定し、保存間隔の種類としてFlow Timeを指定します。Save Associated Case FilesのTypeはOnly if Modifiedを選択し、OKをクリックします。
2. ResultsパネルからContoursウィンドウを開きます。Contoursの設定で、Filled、Node Values、Boundary Values、Global Range、およびAuto Rangeのオプションを有効にします。
3. contourタイプにPhasesを、variableにVolume Fractionを選択し、ターゲットフェーズとしてphase-1を指定します。最後に、Save/Displayをクリックして等高線分布を可視化します。
   注：熱伝達係数は、試験区間の入口と出口の温度差から得られる温度駆動力を分母とし、壁面熱流束を分子として算出します。スロッシング条件下では、時間平均熱伝達係数を採用します。圧力損失は入口圧力と出口圧力の差をモニターすることで決定し、その後、この圧力損失と管路セグメントの長さの比として摩擦圧力損失勾配を算出します。
4. 入口および出口の温度と圧力値などの得られたデータをExcelにインポートします。
5. セクション3.3の計算方法に従い、入口と出口の温度差および圧力差を求めます。

結果

検証済みの数値モデルを用いて、実際の液化プロセスをシミュレーションし、さまざまな運転パラメータにおける熱伝達係数と摩擦圧力損失の変動を系統的に調査し、それによって熱交換器の設計と最適化のための理論的根拠を提示した。主な結論は以下の通りである。純流体の凝縮では、熱伝達は主に管壁に隣接する液膜内に限定されており、気液界面温度と中心蒸気温度はともに飽和温度に等しい。対照的に、混合物の凝縮は、液膜と蒸気中心の両方で同時に熱伝達が行われる非平衡プロセスである。その結果、気液界面温度はバルク飽和温度から乖離し、界面濃度は平衡飽和状態から変化する。このプロセスにおいて、低揮発性成分が優先的に凝縮するため、高揮発性成分が相界面に蓄積する。この蓄積により高揮発性成分の局所濃度が上昇し、界面とバルク蒸気との間に濃度勾配が形成される。この勾配が大きな物質伝達抵抗を誘発して低揮発性成分の凝縮を妨げ、その結果、凝縮熱伝達係数が低下する。

体積分率の計算式：

ディスカッション

シミュレーションの信頼性を確保するために不可欠な3セクション構成は、テストセクションの上流で十分に発達した流れの条件を形成し、出口での逆流を抑制することで、予測結果の精度を最適化します。この観点は、水平管に関する先行研究¹にも反映されています。本研究における格子生成プロセスでは、第1層のメッシュ高さ、境界層の数、および最小直交品質の要件が同様に重要であり、これらはシミュレーション結果の精度に直接影響します。質量フラックス、蒸気乾度、および飽和圧力は、凝縮熱伝達と圧力損失に大きな影響を与えます。質量フラックスを増加させると、蒸気速度と界面せん断が増大し、その結果、熱伝達係数と摩擦圧力損失の両方が増加します。また、蒸気乾度を高めることで界面せん断が強まり、層状流から環状流やミスト流への遷移が促進されます。対照的に、飽和圧力を上げると、熱伝達係数と摩擦圧力損失の両方が低下します。これらの傾向は、一般的に炭化水素の凝縮に関する先行の実験的および数値的研究^6,7,

材料

この記事で使用された材料の一覧

名前	会社	カタログ番号	コメント
Fluent	ANSYS	2020r1	シミュレーションソフトウェア
SpaceClaim	ANSYS	2020r1	モデリングソフトウェア