Gaz ziemny, jako stosunkowo czyste paliwo kopalne, emituje podczas spalania znacznie mniej dwutlenku węgla i innych zanieczyszczeń niż węgiel i ropa naftowa. W globalnej transformacji w kierunku odnawialnych systemów energetycznych gaz ziemny jest często postrzegany jako „paliwo przejściowe” ze względu na jego zdolność do utrzymania stabilności i niezawodności dostaw energii1. Poprzez skraplanie gazowy gaz ziemny jest schładzany do postaci cieczy kriogenicznej (LNG), co zmniejsza jego objętość około 600-krotnie, znacznie ułatwiając transport i magazynowanie2. Spiralny wymiennik ciepła (SWHE) jest kluczowym elementem procesu skraplania gazu ziemnego. Ten typ wymiennika ciepła składa się z serii spiralnych rurek zamocowanych w cylindrycznej płaszczu, nawijanych warstwa po warstwie w przeciwnych kierunkach wokół centralnego trzpienia, przy czym dystanse oddzielają poszczególne warstwy, aby zapewnić odpowiedni prześwit dla wymiany ciepła. Dzięki spiralnej konfiguracji SWHE zapewnia dużą powierzchnię wymiany ciepła przy niewielkiej powierzchni zabudowy3. Taka kompaktowa konstrukcja sprawia, że nadaje się on idealnie do integracji w dużych instalacjach, szczególnie na morskich pływających platformach produkcyjnych, gdzie przestrzeń jest ściśle ograniczona. W procesach skraplania z użyciem mieszanego czynnika chłodniczego, powszechnie stosowanych w produkcji LNG, nieazeotropowe węglowodory przepływają w górę wewnątrz rurek, podczas gdy zimny płyn po stronie płaszcza przepływa w dół w sposób przeciwprądowy przez szczeliny w wiązce rurek. W tych warunkach głównym procesem po stronie rurek jest kondensacja nieazeotropowych węglowodorów wewnątrz spiralnych rurek, co wiąże się ze złożonym przepływem dwufazowym gaz-ciecz4,5.
W celu dokładnego przewidzenia charakterystyki przepływu i wymiany ciepła podczas kondensacji wewnątrz rurek przeprowadzono szeroko zakrojone badania. W przypadku alkanów jednoskładnikowych Fries i wsp.6 zmierzyli charakterystykę wymiany ciepła podczas kondensacji propanu w rurkach poziomych, stwierdzając, że spadek ciśnienia wzrastał wraz ze zmniejszaniem się średnicy rurki i ciśnienia nasycenia. Zauważyli również, że grawitacja powodowała, iż współczynnik wymiany ciepła na dnie rurki był niższy niż na jej górnej ściance. Zhuang i wsp.7,8 badali kondensację metanu i etanu w rurkach poziomych, wykazując, że współczynnik wymiany ciepła i frictional pressure drop wzrastały wraz z natężeniem przepływu i jakością pary. Wcześniejsze badanie9 analizowało proces kondensacji propanu w mikrokanałach, potwierdzając, że trendy wymiany ciepła i spadku ciśnienia były podobne do tych w kanałach konwencjonalnych. W odniesieniu do mieszanek chłodniczych, Smit i wsp.10 badali kondensację mieszanin R22/R142b w rurkach poziomych, stwierdzając, że przy niskich strumieniach masy zwiększenie ułamka masowego R142b znacząco obniżało współczynnik wymiany ciepła. Berrada i wsp.11 badali mieszaninę R134a/R23 i stwierdzili, że temperatura glide miała niewielki wpływ na wymianę ciepła przy różnych stosunkach składników. Neeraas przeprowadził eksperymenty na mieszaninach etanu i propanu w rurkach spiralnych, zauważając, że efekt mieszania znacząco wpływał na obliczenie współczynnika wymiany ciepła podczas kondensacji12. W symulacjach numerycznych Li i wsp.13 symulowali proces kondensacji etanu i propanu, wykazując, że współczynnik wymiany ciepła i frictional pressure drop malały wraz ze wzrostem ciśnienia nasycenia. Qiu i wsp.14 wprowadzili efekt porywania cieczy przez parę podczas symulowania kondensacji propanu w rurkach spiralnych; ich wyniki wykazały, że uwzględnienie tego efektu zredukowało rozbieżność między wynikami symulacji a danymi eksperymentalnymi do poziomu poniżej 25%.
Pomimo obszernych badań nad różnymi cieczami roboczymi i konfiguracjami kanałów, wciąż istnieje znacząca luka między cieczami czystymi lub binarnymi, zazwyczaj badanymi w literaturze, a mieszaninami wieloskładnikowymi wykorzystywanymi w przemysłowej produkcji LNG. W szczególności badania numeryczne ukierunkowane na nieazeotropowe mieszaniny węglowodorowe składające się z trzech lub więcej komponentów w złożonych kanałach przepływowych pozostają niezwykle ograniczone15. Ponadto, w odniesieniu do specyficznego zastosowania platform LNG typu offshore, wciąż brakuje kompleksowego zrozumienia tego, w jaki sposób ruch urządzeń wywołany środowiskiem morskim zmienia przepływ kondensacyjny i charakterystykę wymiany ciepła. Aby wypełnić te luki badawcze, niniejsza praca łączy symulacje obliczeniowej mechaniki płynów (CFD) z istniejącymi danymi eksperymentalnymi w celu opracowania szczegółowego trójwymiarowego modelu dwufazowego przepływu kondensacyjnego. Przeprowadzono porównanie i analizę symulowanego współczynnika wymiany ciepła oraz spadku ciśnienia tarcia w oparciu o klasyczne dane eksperymentalne. Na podstawie tego modelu w pracy skupiono się na symulacji procesu kondensacji reprezentatywnych składów z pól gazowych w rurach spiralnych, szczególnie w warunkach przechyłu, aby zbadać podstawowe mechanizmy wpływu złożonego ruchu na wymianę ciepła podczas kondensacji wieloskładnikowej. Badanie to dostarcza wiarygodnych podstaw teoretycznych i wytycznych inżynieryjnych dla projektowania i optymalizacji wydajnych wymienników ciepła w procesach skraplania gazu ziemnego na platformach offshore.