Моделирование потока конденсации и теплопередачи в спиральных трубчатых теплообменниках для неазеотропных углеводородных смесей

Краткое содержание

В данной статье представлен протокол численного моделирования тепломассообмена при конденсации и характеристик потока неазеотропных углеводородных смесей в спиральных теплообменниках. Данный метод позволяет оценивать рабочие и переходные режимы для прогнозирования коэффициентов теплопередачи и перепадов давления.

Аннотация

Спирально-навитые теплообменники, являясь основным компонентом процесса сжижения природного газа, играют решающую роль в производстве СПГ. Для всестороннего изучения характеристик конденсационного потока и теплопередачи неазеотропных углеводородных смесей внутри спиральных трубок в данном исследовании проведено высокоточное численное исследование. Работа основывалась на четко определенном рабочем процессе, который включал создание геометрии с помощью профессионального инструмента моделирования, генерацию сетки в специализированном программном обеспечении, численный расчет в коммерческом решателе (с мониторингом сходимости в реальном времени) и количественную постобработку. Такой комплексный подход обеспечил высокую достоверность полученной численной модели. Максимальные отклонения от классических экспериментальных данных (экспериментальные данные Neeraas) составили менее 15% для коэффициента теплопередачи и менее 10% для градиента перепада давления из-за трения. Результаты моделирования показывают, что изменение периодов и амплитуд витков приводит к схожим колебательным тенденциям в процессе теплопередачи, вызывая как эффекты интенсификации, так и снижения эффективности. В частности, период витка изменяет эффективность теплопередачи на ±20%, в то время как амплитуда витка влияет на нее в пределах ±10%.

Введение

Природный газ, являясь относительно чистым ископаемым топливом, при сгорании выделяет значительно меньше диоксида углерода и других загрязняющих веществ, чем уголь и нефть. В условиях глобального перехода к системам возобновляемой энергии природный газ часто рассматривается как «переходное топливо» благодаря его способности поддерживать стабильность и надежность энергоснабжения¹. Путем сжижения газообразный природный газ охлаждается до состояния криогенной жидкости (СПГ), что сокращает его объем примерно в 600 раз, значительно облегчая транспортировку и хранение². Спиральный теплообменник (SWHE) является центральным компонентом в процессе сжижения природного газа. Данный тип теплообменника состоит из ряда спиральных трубок, закрепленных внутри цилиндрического кожуха и намотанных слой за слоем в противоположных направлениях вокруг центрального сердечника, при этом слои разделены проставками для обеспечения достаточного зазора для теплообмена. Благодаря своей спиральной конфигурации SWHE обеспечивает большую площадь поверхности теплопередачи при малых габаритах³. Такая компактная конструкция делает его весьма подходящим для интеграции в крупные объекты, особенно на морских плавучих добывающих платформах, где пространство строго ограничено. В процессах сжижения со смешанными хладагентами, обычно используемых при производстве СПГ, неазеотропные углеводороды движутся вверх внутри трубок, в то время как холодный флюид в кожуховой части течет вниз в противоточном режиме через зазоры внутри трубного пучка. В этих условиях основным процессом на трубной стороне является конденсация неазеотропных углеводородов внутри спиральных трубок, сопровождающаяся сложным газожидкостным двухфазным потоком^4,5.

Для точного прогнозирования характеристик потока и теплопереноса при конденсации внутри трубок были проведены обширные исследования. Для однокомпонентных алканов Fries и соавт.⁶ измерили характеристики теплопереноса при конденсации пропана в горизонтальных трубках и обнаружили, что перепад давления увеличивался при уменьшении диаметра трубки и давления насыщения. Они также отметили, что из-за воздействия силы тяжести коэффициент теплопередачи в нижней части трубки был ниже, чем в верхней. Zhuang и соавт.^7,8 изучили конденсацию метана и этана в горизонтальных трубках, показав, что коэффициент теплопередачи и фрикционный перепад давления увеличивались с ростом расхода и паросодержания. В предыдущем исследовании⁹ был проанализирован процесс конденсации пропана в микроканалах, что подтвердило сходство тенденций теплопереноса и перепада давления с показателями в обычных каналах. Для смешанных хладагентов Smit и соавт.¹⁰ исследовали конденсацию смесей R22/R142b в горизонтальных трубках и обнаружили, что при низких массовых потоках увеличение массовой доли R142b значительно снижало коэффициент теплопередачи. Berrada и соавт.¹¹ изучили смесь R134a/R23 и обнаружили, что температурный глайд оказывал незначительное влияние на теплоперенос при различных соотношениях компонентов. Neeraas провел эксперименты со смесями этан/пропан в спиральных трубках, отметив, что эффект перемешивания существенно влияет на расчет коэффициента теплопередачи при конденсации¹². В численном моделировании Li и соавт.¹³ смоделировали процесс конденсации смеси этан/пропан, показав, что коэффициент теплопередачи и фрикционный перепад давления снижались при увеличении давления насыщения. Qiu и соавт.¹⁴ учли эффект уноса жидкости паром при моделировании конденсации пропана в спиральных трубках; их результаты показали, что учет этого эффекта позволил снизить отклонение результатов моделирования от экспериментальных данных до уровня менее 25%.

Несмотря на обширные исследования различных рабочих жидкостей и конфигураций каналов, сохраняется существенный разрыв между чистыми или бинарными жидкостями, которые обычно изучаются в литературе, и многокомпонентными смесями, используемыми в промышленном производстве СПГ. В частности, численные исследования неазеотропных углеводородных смесей, состоящих из трех и более компонентов в сложных проточных каналах, остаются крайне ограниченными¹⁵. Кроме того, что касается специфики применения морских платформ СПГ, до сих пор отсутствует всестороннее понимание того, как движение оборудования, вызванное воздействием морской среды, изменяет конденсационный поток и характер теплопереноса. Чтобы восполнить эти пробелы в исследованиях, в данной работе сочетаются методы вычислительной гидродинамики (CFD) с имеющимися экспериментальными данными для разработки детальной трехмерной модели двухфазного конденсационного потока. На основе классических экспериментальных данных проводится сравнение и анализ смоделированного коэффициента теплопередачи и потери давления на трение. Используя эту модель, в статье основное внимание уделяется моделированию процесса конденсации репрезентативных составов газовых месторождений в спиральных трубках, особенно в условиях качения, для изучения механизмов влияния сложного движения на теплоперенос при многокомпонентной конденсации. Данное исследование обеспечивает надежную теоретическую базу и инженерные рекомендации для проектирования и оптимизации эффективных теплообменников в процессах сжижения природного газа на морских платформах.

Протокол

Поскольку данная работа сосредоточена на характеристиках локального теплообмена и перепада давления при конденсации внутри спиральной трубки, после полного развития потока можно использовать сокращенную расчетную область, что позволит точно представить локальное гидродинамическое и тепловое поведение. Для валидации по экспериментальным данным построена модель трехсекционной спиральной трубки на основе физической модели, предложенной Neeraas¹², с диаметром трубки 14 mm, углом наклона спирали 10° и диаметром витка 2 m. Модель состоит из трех участков: участка полностью развитого потока (0.6 m), исследуемого участка (0.2 m) и участка стабилизации давления (0.2 m). Участок полностью развитого потока обеспечивает достаточное развитие потока перед входом в область интереса. Исследуемый участок используется для сравнения с экспериментальными данными и детального анализа локальных характеристик потока и теплообмена. Участок стабилизации давления предназначен для поддержания стабильности давления на выходе и предотвращения обратного потока, чтобы избежать помех результатам, полученным на исследуемом участке. Сведения о конкретном программном обеспечении для моделирования приведены в Таблице материалов.

1. Физическая модель и сетка

1. Откройте программное обеспечение для моделирования. В нижней строке состояния выберите Sketch Mode (Режим эскиза) и щелкните по Z–X plane (плоскость Z–X), чтобы войти в среду эскиза.
2. На верхней панели инструментов выберите инструмент Circle (Окружность). Нарисуйте в начале координат окружность диаметром 14, затем нажмите Enter. На верхней панели инструментов нажмите Return to 3D Mode (Вернуться в 3D-режим). Эскиз окружности будет преобразован в поверхность.
3. Выберите созданную круглую поверхность. На верхней панели инструментов нажмите инструмент Move (Переместить, горячая клавиша: M). На поверхности появится триадный манипулятор (трехосевая рукоятка). Перетащите желтую сферу в центре манипулятора в глобальное начало координат (0, 0, 0), которое будет служить точкой отсчета для вращения и перемещения.
4. Перетащите красную стрелку вдоль оси X, введите 100 mm и нажмите Enter. Вращение: щелкните по rotation ring (кольцу вращения) вокруг оси X (синяя или зеленая дуга), введите 10° и нажмите Enter.
5. На верхней панели инструментов выберите Pull tool (Инструмент вытягивания, горячая клавиша: P) и выберите круглую поверхность. На левой панели выберите опцию Revolve (Вращение). Затем выберите ось Z глобальной системы координат в качестве оси вращения. На левой панели включите опцию Helix (Спираль). Создание Volume 1 (Объем 1): в поле ввода или на левой панели введите высоту 138.87 mm и угол 45.16°, затем нажмите Enter. Создана первая жидкостная область.
6. Создание Volume 2 (Объем 2): выберите новое торцевое сечение Volume 1. Повторите операцию спирального вытягивания, снова используя ось Z в качестве оси вращения. Введите высоту 69.4 и угол 2.58°.
7. Создание Volume 3 (Объем 3): выберите новое торцевое сечение Volume 2. Создайте Volume 3 с теми же параметрами, что и Volume 2, используя тот же метод.
8. На верхней панели меню перейдите на вкладку Workbench. Нажмите кнопку Share (Общие). Программа автоматически подсветит две грани, которые пересекаются между тремя объемами. Нажмите кнопку Complete (Завершить, галочка) справа.
9. На левой панели перейдите на вкладку Groups (Группы). Выберите начальную круглую грань первого объема, затем нажмите Create Named Selection (Создать именованный выбор) и определите ее как inlet (in) (вход).
10. Выберите конечную круглую грань третьего объема, нажмите Ctrl + G для создания группы и определите ее как outlet (out) (выход).
11. Выберите внешние цилиндрические поверхности трех объемов и определите их как границы стенок: wall1, wall2 и wall3.
12. В дереве структуры слева, удерживая Ctrl, выберите три твердых тела. Нажмите Ctrl + G, чтобы создать группу, и переименуйте ее в fluid (жидкость).
13. Подключите созданную геометрию к модулю Mesh (Сетка) и дважды щелкните, чтобы открыть программу Meshing. В левом дереве нажмите Mesh. В панели Details внизу слева разверните Sizing (Размер) и установите Element Size (Размер элемента) на 3.
14. Щелкните правой кнопкой мыши по Mesh в дереве, выберите Insert (Вставить) $\rightarrow$ Sizing (Размер). В качестве геометрии выберите входную поверхность (in) и нажмите Apply (Применить). Установите Element Size на 0.6.
15. Щелкните правой кнопкой мыши по Mesh, выберите Insert (Вставить) $\rightarrow$ Inflation (Нарастание слоев). Geometry (Геометрия): выберите все три жидкостные области и нажмите Apply. Boundary (Граница): выберите внешние поверхности стенок, определенные как wall, затем нажмите Apply. Измените опцию на First Layer Thickness (Толщина первого слоя). First Layer Height (Высота первого слоя): 0.01mm. Maximum Layers (Максимальное количество слоев): 15. Growth Rate (Коэффициент роста): 1.25.
16. Щелкните правой кнопкой мыши по Mesh, выберите Insert (Вставить) $\rightarrow$ Method (Метод). Выберите три жидкостные области и нажмите Apply. В выпадающем меню Method выберите Sweep (Сметание). В разделе Selection (Выбор) выберите Manual Source (Ручной источник). Выберите входную поверхность (in) в качестве исходной грани и нажмите Apply.
17. Щелкните правой кнопкой мыши по Mesh в дереве и выберите Generate Mesh (Сгенерировать сетку). В данном исследовании качество сетки строго контролировалось. Минимальное значение Orthogonal Quality (Ортогональное качество) сгенерированной сетки составляет более 0.90.

2. Работа с программным обеспечением для моделирования

1. Откройте программное обеспечение для расчета. Перейдите в Файл вкладка и под Прочитатьвыбрать СеткаЗатем перейдите к Масштабирование сетки и набор Сетка была создана в мм.
2. В Настройки решателявыберите Решатель на основе давлениявыберите Абсолютный для формулировка скоростии активируйте Транзиторный вариант по времени.
   ПРИМЕЧАНИЕ: Наложение уравнения осцилляции на стационарный опорный случай и его реализация с помощью пользовательской функции позволяют описать условие осцилляции в движущейся системе координат.
3. Нажмите Определяемый пользователем, затем выберите ФункцииВ разделе Interpreted UDFs загрузите скомпилированный файл осцилляции.
   ПРИМЕЧАНИЕ: Результирующее движение выражено в соответствии с уравнением (1). Был принят и реализован метод статической сетки с использованием системы движущихся координат. Фундаментальная физика плескания основана на относительном движении жидкости по отношению к границе контейнера. Возбуждение при плескании представлено в виде эквивалентных членов источника динамического ускорения в уравнениях импульса, что позволяет полностью воспроизвести динамические силы жидкости на стационарной сетке.
         (1)
   В уравнении Tc представляет собой период раскачивания, и X обозначает смещение, вызванное покачиванием.
4. Установите Ускорение свободного падения в Yнаправление к −9,81 м/с²Под Моделивключить Энергия и включите Уравнение энергии.
5. Под Моделивключить Вязкий и выберите Модель напряжений Рейнольдса (7 уравнений). В Настройки модели напряжений Рейнольдсавыберите Линейная зависимость давления от деформацииДля Обработка пристенной областивыберите Масштабируемые пристеночные функции.
6. В Фазынабор Фаза 1 (основная фаза) в качестве газ и Фаза 2 (вторичная фаза) как жидкийПод Глобальные настройкивключить Моделирование силы поверхностного натяженияи выберите Модель континуальной силы поверхностного натяжения.
   ПРИМЕЧАНИЕ: Был принят эквивалентный подход с использованием псевдожидкости на основе термофизических свойств, зависящих от температуры и давления, что является общепринятой методологией в исследованиях многокомпонентных смесей методом вычислительной гидродинамики (CFD). При фиксированном начальном составе смеси термофизические свойства, зависящие от состояния, включая плотность, динамическую вязкость, теплопроводность, удельную теплоемкость и характеристики насыщения, были рассчитаны и сформированы с помощью базы данных NIST REFPROP для всего диапазона рабочих температур и давлений. В настоящем исследовании смесь сохраняет однородный макросостав на протяжении всего моделирования. Использование переменных свойств, полученных из базы данных NIST, позволяет точно отразить нелинейные термофизические характеристики многокомпонентного флюида, избегая при этом излишних вычислительных затрат.
7. Рассмотрим в качестве примера смесь этана и пропана: при паросодержании 0,56 и давлении 3,2 МПа определите свойства жидкой фазы в Материалы следующим образом:
   1. Плотность: 393,06 кг/м³³
   2. Удельная теплоемкость (Cp): 386,4 Дж/(кг·К)
   3. Теплопроводность: 0,078798 Вт/(м·К)
   4. Вязкость: 5,4796 × 10⁻⁵ Па·с
   5. Молекулярная масса: 37,15 кг/кмоль
   6. Стандартная энтальпия основного состояния: 0
   7. Эталонная температура: 321 К
8. В разделе «Материалы» определите свойства газовой фазы следующим образом:
   1. Плотность: 67,49 кг/м³³
   2. Удельная теплоемкость (Cp): 348,7 Дж/(кг·К)
   3. Теплопроводность: 0,03035 Вт/(м·К)
   4. Вязкость: 1,129 × 10⁻⁵ Па·с
   5. Молекулярная масса: 34,756 кг/кмоль
   6. Стандартная энтальпия основного состояния: 0
   7. Эталонная температура: 321 K
9. Установите граничное условие на входе как Вход с заданным массовым расходом(массовый поток 300 кг/(м²·с)), the выходное отверстие как Выход с заданным давлением(0 МПа), и граничное условие на стенке как Тепловой поток(-10340 Вт/м²).
10. Под Методывыберите Алгоритм PISO для методов решения. Для Объемная долявыберите Геореконструкция.
    ПРИМЕЧАНИЕ: Хотя метод объемной доли жидкости (VOF) широко применяется для отслеживания топологической эволюции свободной поверхности на макроуровне при процессах плескания и термического фазового перехода, сохраняются определенные ограничения в точности захвата интерфейса и фиксации межфазных флуктуаций на микроуровне. Формулировка VOF фундаментально опирается на дискретные объемные доли фаз в ячейках. Используемая здесь схема Geo-Reconstruct значительно снижает численную диффузию; тем не менее, разрешение подсеточных микрокапель, процесса распыления или микроструктур интерфейса по-прежнему строго ограничено локальным измельчением сетки. Для динамики плескания на макроуровне, объемной тепловой конвекции и законов массопереноса при фазовом переходе, которые являются приоритетными в данном исследовании, текущая структура VOF с примерно 1,42 млн сеточных элементов обеспечивает оптимальный баланс между топологической точностью и вычислительными затратами.
11. В Мониторы, настройте мониторинг для:
    1. Давление на входе и выходе из измерительного участка.
    2. Температура на входе и выходе.
    3. Температура стенки.
    4. Объемная доля на входе и выходе.
       ПРИМЕЧАНИЕ: Критерий сходимости для остатка энергии установлен на уровне 1 × 10⁻⁸, в то время как значения для остальных параметров установлены на уровне 1 × 10⁻⁴Динамически контролировались ключевые глобальные переменные, включая среднюю по площади температуру и общий перепад давления на исследуемом участке. Вычисления продолжались до тех пор, пока значения этих переменных не перестали колебаться, что подтверждало достижение потоком полностью развитого и стабильного состояния.
12. Выполните стандартную инициализацию выбора метода, произведя расчет по всем зонам. После инициализации в... Выполнить расчет панель, набор: Размер временного шага: 1 × 10⁻⁴ с, и Количество временных шагов: 1 × 10⁶.

3. Постпроцессинг и настройка экспорта данных

1. В панели Calculation Activities нажмите Autosave (Every Flow Time), чтобы открыть окно автосохранения. В настройках автосохранения установите значение Save Data File Every [s] на 0.01 и выберите Flow Time в качестве типа интервала сохранения. Для параметра Save Associated Case Files Type выберите Only if Modified, затем нажмите OK.
2. Откройте окно Contours на панели Results. В настройках Contours активируйте опции Filled, Node Values, Boundary Values, Global Range и Auto Range.
3. Выберите Phases в качестве типа contour и Volume Fraction в качестве variable, затем укажите phase-1 как целевую фазу. Наконец, нажмите Save/Display для визуализации распределения контуров.
   ПРИМЕЧАНИЕ: Коэффициент теплопередачи рассчитывается как отношение плотности теплового потока на стенке к движущей силе температуры, полученной из разности температур между входом и выходом исследуемого участка. В условиях плескания используется усредненный по времени коэффициент теплопередачи. Перепад давления определяется путем мониторинга разности давлений на входе и выходе, после чего градиент потерь давления на трение рассчитывается как отношение этого перепада давления к длине сегмента трубки.
4. Импортируйте полученные данные, такие как значения температуры и давления на входе и выходе, в Excel.
5. Определите разность температур и разность давлений между входом и выходом в соответствии с методом расчета, описанным в разделе 3.3.

Результаты

С использованием валидированной численной модели было проведено моделирование реального процесса сжижения для систематического исследования изменений коэффициента теплопередачи и перепада давления за счет трения при различных рабочих параметрах, что позволило создать теоретическую базу для проектирования и оптимизации теплообменников. Основные выводы заключаются в следующем: при конденсации чистого флюида теплопередача сосредоточена преимущественно в жидкой пленке, прилегающей к стенке трубки, где температура границы раз...

Обсуждение

Для обеспечения достоверности моделирования используется трехсекционная конфигурация, которая создает полностью развитые условия потока перед испытательной секцией и подавляет обратный ток на выходе, тем самым оптимизируя точность прогнозируемых результатов. Аналогичный подход применялся и в предыдущих исследованиях горизонтальных труб¹. В процессе генерации сетки в данном исследовании высота первого слоя сетки, количество пограничных слоев и минимальное требование к ортогональному качеству имеют ...

Материалы

Список материалов, использованных в этой статье

Имя	Компания	Каталожный номер	Комментарии
Fluent	ANSYS	2020r1	программное обеспечение для моделирования
SpaceClaim	ANSYS	2020r1	программное обеспечение для моделирования