Subskrypcja JoVE jest wymagana do oglądania tego materiału. Zaloguj się lub rozpocznij bezpłatny okres próbny.

Artykuł metodologiczny

Symulacja przepływu kondensacyjnego i wymiany ciepła w spiralnych wymiennikach ciepła dla nieazeotropowych mieszanin węglowodorów

105 wyświetleń

⸱

DOI:

10.3791/71595

⸱

8 września 2026

 ,  ,  ,  , 

W tym artykule

Podsumowanie

W niniejszym artykule przedstawiono protokół numerycznego symulowania wymiany ciepła podczas kondensacji oraz charakterystyki przepływu nieazeotropowych mieszanin węglowodorów w wymiennikach ciepła o spiralnym zwoju. Metoda ta pozwala na ocenę warunków operacyjnych i roboczych w celu przewidzenia współczynników wymiany ciepła oraz spadków ciśnienia.

Streszczenie

Jako kluczowy element procesu skraplania gazu ziemnego, spiralne wymienniki ciepła odgrywają istotną rolę w produkcji LNG. Celem niniejszej pracy było kompleksowe zrozumienie charakterystyki przepływu kondensacyjnego i wymiany ciepła nieazeotropowych mieszanin węglowodorów wewnątrz rurek spiralnych. Przeprowadzone w badaniu wysokoprecyzyjne dochodzenie numeryczne oparto na ściśle określonym schemacie postępowania, który obejmował tworzenie geometrii za pomocą profesjonalnego narzędzia do modelowania, generowanie siatki w dedykowanym oprogramowaniu do siatkowania, obliczenia numeryczne w komercyjnym solverze (z uwzględnieniem monitorowania zbieżności w czasie rzeczywistym) oraz ilościowe przetwarzanie wyników. Zintegrowane podejście to zapewnia wysoką wierność otrzymanego modelu numerycznego. Maksymalne odchylenia od klasycznych danych eksperymentalnych (dane eksperymentalne Neeraasa) wyniosły poniżej 15% dla współczynnika wymiany ciepła i poniżej 10% dla gradientu spadku ciśnienia tarcia. Wyniki symulacji wykazują, że zmiana okresów i amplitud falowania powoduje podobne trendy oscylacyjne w procesie wymiany ciepła, wykazując zarówno efekty usprawnienia, jak i pogorszenia. W szczególności okres falowania zmienia wydajność wymiany ciepła o ±20%, podczas gdy amplituda falowania wpływa na nią w zakresie ±10%.

Wprowadzenie

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.

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Protokół

Ponieważ niniejsza praca koncentruje się na lokalnych charakterystykach wymiany ciepła i spadku ciśnienia podczas kondensacji wewnątrz rury helikalnej, po pełnym rozwinięciu przepływu można zastosować zredukowaną domenę, co umożliwia dokładne odwzorowanie lokalnego zachowania przepływu i właściwości termicznych. W celu walidacji z danymi eksperymentalnymi skonstruowano model rury helikalnej składający się z trzech sekcji, oparty na modelu fizycznym zaproponowanym przez Neeraasa12, z średnicą rury 14 mm, kątem helisy 10° i średnicą zwoju 2 m. Model składa się z trzech obszarów: sekcji pełnego rozwinięcia (0,6 m), sekcji testowej (0,2 m) oraz sekcji stabilizacji ciśnienia (0,2 m). Sekcja pełnego rozwinięcia zapewnia, że przepływ jest odpowiednio rozwinięty przed wejściem do obszaru zainteresowania. Sekcja testowa służy do porównania z danymi eksperymentalnymi oraz do szczegółowej analizy lokalnych charakterystyk przepływu i wymiany ciepła. Sekcja stabilizacji ciśnienia została zaprojektowana w celu utrzymania stabilności ciśnienia wylotowego i zapobiegania przepływowi zwrotnemu, co pozwala uniknąć zakłóceń wyników uzyskanych w sekcji testowej. Specjalistyczne oprogramowanie do modelowania znajduje się w Tabeli materiałów.

1. Model fizyczny i siatka

  1. Otwórz oprogramowanie do modelowania. W dolnym pasku stanu wybierz Tryb szkicu (Sketch Mode), a następnie kliknij płaszczyznę Z–X, aby wejść do środowiska szkicowania.
  2. W górnym pasku narzędzi wybierz narzędzie Koło (Circle). Narysuj w punkcie początkowym koło o średnicy 14, a następnie naciśnij Enter. Kliknij Powrót do trybu 3D (Return to 3D Mode) w górnym pasku narzędzi. Koło szkicu zostanie wówczas przekonwertowane na powierzchnię.
  3. Wybierz wygenerowaną powierzchnię kołową. Kliknij narzędzie Przesuń (Move) (skrót: M) w górnym pasku narzędzi. Na powierzchni pojawi się manipulator triad (uchwyt trójosiowy). Przeciągnij żółtą sferę w centrum manipulatora do globalnego początku układu współrzędnych (0, 0, 0), który będzie służył jako punkt odniesienia dla obrotu i translacji.
  4. Przeciągnij czerwoną strzałkę wzdłuż osi X, wprowadź 1000 mm i naciśnij Enter. Obrót: Kliknij pierścień obrotu wokół osi X (niebieski lub zielony łuk), wprowadź 10° i naciśnij Enter.
  5. Kliknij narzędzie wyciągania (Pull tool) (skrót: P) w górnym pasku narzędzi i wybierz powierzchnię kołową. W lewym panelu wybierz opcję Obrót (Revolve). Następnie wybierz oś Z globalnego układu współrzędnych jako oś obrotu. Włącz opcję Helisa (Helix) w lewym panelu. Utwórz Objętość 1 (Volume 1): W polu wprowadzania lub lewym panelu wprowadź wysokość 138,87 mm oraz kąt 45,16°, a następnie naciśnij Enter. Pierwsza dziedzina płynu zostanie wygenerowana.
  6. Utwórz Objętość 2 (Volume 2): Wybierz nową powierzchnię końcową Objętości 1. Powtórz operację wyciągania helisowego, ponownie używając osi Z jako osi obrotu. Wprowadź wysokość 69,44 i kąt 22,58°.
  7. Utwórz Objętość 3 (Volume 3): Wybierz nową powierzchnię końcową Objętości 2. Utwórz Objętość 3 z tymi samymi parametrami co Objętość 2, stosując tę samą metodę.
  8. Kliknij kartę Workbench w górnym pasku menu. Kliknij przycisk Udostępnij (Share). Oprogramowanie automatycznie podświetli dwie powierzchnie przecinające się pomiędzy trzema objętościami. Kliknij przycisk Zakończ (Complete) (znacznik wyboru) po prawej stronie.
  9. Kliknij kartę Grupy (Groups) w lewym panelu. Wybierz początkową powierzchnię kołową pierwszej objętości, a następnie kliknij Utwórz nazwany wybór (Create Named Selection) i zdefiniuj ją jako wlot (in).
  10. Wybierz końcową powierzchnię kołową trzeciej objętości, naciśnij Ctrl + G, aby utworzyć grupę, i zdefiniuj ją jako wylot (out).
  11. Wybierz zewnętrzne powierzchnie cylindryczne trzech objętości i zdefiniuj je jako granice ścian: wall1, wall2 i wall3.
  12. W drzewie struktury po lewej stronie, przytrzymując Ctrl, zaznacz trzy bryły. Naciśnij Ctrl + G, aby utworzyć grupę i zmień jej nazwę na fluid.
  13. Połącz wygenerowaną geometrię z modułem Siatka (Mesh) i kliknij dwukrotnie, aby otworzyć oprogramowanie do siatkowania. W lewym drzewie kliknij Siatka (Mesh). W panelu Szczegóły (Details) po lewej stronie na dole rozwiń sekcję Wymiarowanie (Sizing) i ustaw Rozmiar elementu (Element Size) na 3.
  14. Kliknij prawym przyciskiem myszy Siatka (Mesh) w drzewie, wybierz Wstaw (Insert), Wymiarowanie (Sizing). Wybierz powierzchnię wlotową (in) jako geometrię i kliknij Zastosuj (Apply). Ustaw Rozmiar elementu (Element Size) na 0,6.
  15. Kliknij prawym przyciskiem myszy Siatka (Mesh), wybierz Wstaw (Insert), Inflacja (Inflation). Geometria (Geometry): Wybierz wszystkie trzy dziedziny płynu i kliknij Zastosuj (Apply). Granica (Boundary): Wybierz zewnętrzne powierzchnie ścian zdefiniowane jako wall, a następnie kliknij Zastosuj (Apply). Zmień opcję na Grubość pierwszej warstwy (First Layer Thickness). Wysokość pierwszej warstwy (First Layer Height): 0,01 mm. Maksymalna liczba warstw (Maximum Layers): 15. Współczynnik wzrostu (Growth Rate): 1,25.
  16. Kliknij prawym przyciskiem myszy Siatka (Mesh), wybierz Wstaw (Insert), Metoda (Method). Wybierz trzy dziedziny płynu i kliknij Zastosuj (Apply). W rozwijanym menu Metoda wybierz Przesunięcie (Sweep). W sekcji Wybór (Selection) wybierz Źródło ręczne (Manual Source). Wybierz powierzchnię wlotową (in) jako powierzchnię źródłową i kliknij Zastosuj (Apply).
  17. Kliknij prawym przyciskiem myszy Siatka (Mesh) w drzewie i wybierz Generuj siatkę (Generate Mesh). W niniejszym badaniu ściśle kontrolowano jakość siatki. Minimalna Jakość ortogonalna (Orthogonal Quality) wygenerowanej siatki wynosi powyżej 0,90.

2. Obsługa oprogramowania do symulacji

  1. Uruchom oprogramowanie do rozwiązywania zadań. Przejdź do Plik zakładka, a pod Przeczytajwybierz SiatkaNastępnie przejdź do Siatka skali oraz ustawić Siatkę utworzono w milimetrach (mm).
  2. W Ustawienia solverawybierz Solver oparty na ciśnieniu, wybierz Bezwzględny dla sformułowanie prędkościoraz włączone Opcja przejściowa przez określony czas.
    UWAGA: Poprzez nałożenie równania oscylacji na stacjonarny przypadek odniesienia i zaimplementowanie go za pomocą funkcji zdefiniowanej przez użytkownika, ruchomy układ współrzędnych może reprezentować warunki oscylacyjne.
  3. Kliknij Zdefiniowany przez użytkownikanastępnie wybierz FunkcjeW sekcji Interpreted UDFs wczytaj skompilowany plik oscylacji.
    UWAGA: Wynikowy ruch jest wyrażony zgodnie z równaniem (1). Zastosowano i zaimplementowano metodologię statycznej siatki z wykorzystaniem ruchomego układu współrzędnych. Podstawowe zjawiska fizyczne kołysania opierają się na ruchu względnym cieczy względem ścianek zbiornika. Wzbudzenie kołysania jest reprezentowane jako równoważne dynamiczne wyrazu źródłowe przyspieszenia w równaniach pędu, co umożliwia pełne odwzorowanie dynamicznych sił cieczy na stacjonarnej siatce.
    Równanie ruchu harmonicznego X=Xmaxsin(2πt/Tc), wzór, fizyka, analiza fal sinusoidalnych.      (1)
    W równaniu Tc oznacza okres kołysania, a X oznacza przemieszczenie wywołane kołysaniem.
  4. Ustaw Przyspieszenie grawitacyjne w Ykierunek do −9,81 m/s²2Pod Modelewłącz Energia i włącz Równanie energii.
  5. Pod Modelewłącz Lepki i wybrać Model naprężeń Reynoldsa (7 równań). W Ustawienia modelu naprężeń Reynoldsawybierz Liniowa zależność ciśnienie-odkształcenieDla Traktowanie przyściennewybierz Skalowalne funkcje ścianne.
  6. W Fazyzestaw Faza 1 (faza pierwotna) jako gaz i Faza 2 (faza wtórna) jako cieczPod Opcje globalnewłącz Modelowanie siły napięcia powierzchniowegooraz wybierz Model siły powierzchniowej kontinuum.
    UWAGA: Przyjęto równoważne podejście z użyciem pseudopłynu o właściwościach termofizycznych zależnych od temperatury i ciśnienia, co jest powszechnie akceptowaną metodologią w badaniach CFD nad mieszaninami wieloskładnikowymi. Przy ustalonym początkowym składzie mieszaniny obliczono i wygenerowano właściwości termofizyczne zależne od stanu — w tym gęstość, lepkość dynamiczną, przewodność cieplną, właściwą pojemność cieplną oraz charakterystyki nasycenia — korzystając z bazy danych NIST REFPROP w całym zakresie temperatur i ciśnieni roboczych. W niniejszym badaniu mieszanina zachowuje jednorodny makroskład przez cały czas trwania symulacji. Wykorzystanie zmiennych właściwości pochodzących z bazy NIST pozwala na dokładne odwzorowanie nieliniowych charakterystyk termofizycznych płynu wieloskładnikowego, unikając jednocześnie niepotrzebnego obciążenia obliczeniowego.
  7. Przyjmując za przykład mieszaninę etanu i propanu, przy jakości pary wynoszącej 0,56 i ciśnieniu 3,2 MPa, zdefiniuj właściwości fazy ciekłej w Materiały w następujący sposób:
    1. Gęstość: 393,06 kg/m³3
    2. Wymagana ciepło właściwe (Cp): 3866,4 J/(kg·K)
    3. Przewodność cieplna: 0,078798 W/(m·K)
    4. Lepkość: 5,4796 × 10⁻5 Pa·s
    5. Masa cząsteczkowa: 37,115 kg/kmol
    6. Entalpia stanu standardowego: 0
    7. Temperatura odniesienia: 321 K
  8. W sekcji Materiały zdefiniuj właściwości fazy gazowej w następujący sposób:
    1. Gęstość: 67,49 kg/m³3
    2. ciepło właściwe (Cp): 3488,7 J/(kg·K)
    3. Przewodność cieplna: 0,03035 W/(m·K)
    4. Lepkość: 1,129 × 10⁻5 Pa·s
    5. Masa molowa: 34,756 kg/kmol
    6. Entalpia stanu standardowego: 0
    7. Temperatura odniesienia: 321 K
  9. Ustawie warunek brzegowy wlotu Jako Wlot z przepływem masowym(strumień masy 300 kg/(m2·s)), the wylot jako Wylot ciśnieniowy(0 MPa), a warunek brzegowy ścianki jako Strumień ciepła(-10340 W/m2).
  10. Pod Metodywybierz algorytm PISO dla metod rozwiązywania. Dla Ułamek objętościowywybierz Geo-Rekonstrukcja.
    UWAGA: Chociaż metoda objętości płynu (VOF) jest powszechnie akceptowana w śledzeniu ewolucji topologicznej wolnej powierzchni w makroskali w procesach przelewania i termicznej przemiany fazowej, nadal istnieją ograniczenia w zakresie precyzji przechwytywania interfejsu oraz rejestrowania mikrostruktur fluktuacji międzyfazowych. Sformułowanie VOF opiera się zasadniczo na dyskretnych ułamkach objętościowych faz w komórkach. Zastosowany tutaj schemat Geo-Reconstruct znacząco redukuje dyfuzję numeryczną; niemniej jednak rozdzielczość mikrokropel poniżej siatki, formowanie rozpylenia lub mikrostruktury międzyfazowe pozostają ściśle ograniczone przez lokalne zagęszczenie siatki. W przypadku dynamiki przelewania w makroskali, konwekcji termicznej w objętości oraz praw wymiany masy podczas przemiany fazowej, które są priorytetem w niniejszym badaniu, obecny framework VOF z około 1,42 miliona elementów siatki zapewnia optymalny balans między dokładnością topologiczną a kosztem obliczeniowym.
  11. W Monitory, skonfiguruj monitorowanie dla:
    1. Ciśnienie na wlocie i wylocie sekcji testowej.
    2. Temperatura na wlocie i wylocie.
    3. Temperatura ścian.
    4. Ułamek objętości na wlocie i wylocie.
      UWAGA: Kryterium zbieżności dla residuum energii zostało ustawione na 1 × 10⁻8, natomiast dla pozostałych parametrów ustawiono wartość 1 × 10⁻4Kluczowe zmienne globalne, w tym średnia temperatura ważona powierzchniowo oraz całkowity spadek ciśnienia na sekcji pomiarowej, były monitorowane dynamicznie. Obliczenia kontynuowano do momentu, aż zmienne te przestały wykazywać dalsze fluktuacje, co zapewniło osiągnięcie przez pole przepływu stanu w pełni rozwiniętego i stabilnego.
  12. Uruchom standardową inicjalizację wyboru metody, obliczając dane ze wszystkich stref. Po inicjalizacji, w Wykonaj obliczenia panel, zestaw: Wielkość kroku czasowego: 1 × 10⁻4 s, i Liczba kroków czasowych: 1 × 106.

3. Konfiguracja postprocessingu i eksportu danych

  1. W panelu Calculation Activities kliknij Autosave (Every Flow Time), aby otworzyć okno Autosave. W ustawieniach Autosave ustaw wartość Save Data File Every [s] na 0,01 i określ Flow Time jako typ interwału zapisu. Dla parametru Save Associated Case Files Type wybierz Only if Modified, a następnie kliknij OK.
  2. Otwórz okno Contours z panelu Results. W ustawieniach Contours aktywuj opcje Filled, Node Values, Boundary Values, Global Range oraz Auto Range.
  3. Wybierz Phases jako typ contour oraz Volume Fraction jako variable, a następnie określ fazę-1 jako fazę docelową. Na koniec kliknij Save/Display, aby zwizualizować rozkład konturów.
    UWAGA: Współczynnik przenoszenia ciepła jest obliczany jako strumień ciepła przez ściankę podzielony przez siłę napędową temperatury, uzyskaną z różnicy temperatur między wlotem a wylotem sekcji badawczej. W warunkach kołysania przyjęto uśredniony w czasie współczynnik przenoszenia ciepła. Spadek ciśnienia jest określany poprzez monitorowanie różnicy między ciśnieniem wlotowym a wylotowym, a gradient tarcia spadku ciśnienia jest następnie obliczany jako stosunek tego spadku ciśnienia do długości odcinka rury.
  4. Importuj uzyskane dane do programu Excel, takie jak wartości temperatury i ciśnienia na wlocie i wylocie.
  5. Oblicz różnicę temperatur i różnicę ciśnień między wlotem a wylotem zgodnie z metodą obliczeń opisaną w sekcji 3.3.

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Wyniki

Wykorzystując zwalidowany model numeryczny, przeprowadzono symulację rzeczywistego procesu skraplania w celu systematycznego zbadania zmian współczynnika przejmowania ciepła oraz spadku ciśnienia tarcia przy różnych parametrach pracy, co zapewniło teoretyczne podstawy do projektowania i optymalizacji wymienników ciepła. Główne wnioski przedstawiają się następująco: w przypadku kondensacji czystego płynu wymiana ciepła ogranicza się przede wszystkim do filmu cieczy przylegającego do ścianki rurki, gdzie temperatura powier...

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Dyskusja

Konfiguracja trójsekcyjna, kluczowa dla zapewnienia wiarygodności symulacji, ustanawia w pełni rozwinięte warunki przepływu przed sekcją badawczą i tłumi przepływ zwrotny na wylocie, optymalizując tym samym dokładność przewidywanych wyników. Podejście to zostało odzwierciedlone również w poprzednich badaniach nad rurami poziomymi1. Podczas procesu generowania siatki w niniejszym badaniu, wysokość pierwszej warstwy siatki, liczba warstw przyściennych oraz minimalny wymagany poziom jakości ortogonal...

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Oświadczenia

Autorzy oświadczają, że nie mają żadnych znanych konfliktów interesów finansowych ani relacji osobistych, które mogłyby wpłynąć na pracę opisaną w niniejszej publikacji.

Podziękowania

Badania te są wspierane przez Basic Research Project for Universities of Liaoning Provincial Education Department (LJ212512594008 dla Xianshi Fang) oraz Shenyang Key Laboratory of Industrial Product Testing Technology and Intelligent Testing Equipment (JC2503, JC2512).

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Materiały

Lista materiałów użytych w tym artykule
NazwaFirmaNumer katalogowyKomentarze
FluentANSYS2020r1oprogramowanie do symulacji
SpaceClaimANSYS2020r1oprogramowanie do modelowania

Bibliografia

  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.

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Przedruki i uprawnienia

Przeglądaj więcej artykułów

Wymiennik ciepła z rurkami spiralnymimieszaniny nieazeotropowesymulacja numerycznaprodukcja LNGfrictionalny spadek ciśnieniaamplituda falowaniaokres falowania