Burada, makale, spiral sarımlı ısı değiştiricilerde azeotropik olmayan hidrokarbon karışımlarının yoğuşma ısı transferinin ve akış özelliklerinin sayısal olarak simüle edilmesi için bir protokol sunmaktadır. Bu yöntem, ısı transfer katsayılarını ve basınç düşüşlerini öngörmek için operasyonel ve sarım koşullarını değerlendirmektedir.
Yöntem makalesi
Azeotropik Olmayan Hidrokarbon Karışımları İçin Spiral Borulu Isı Değiştiricilerde Yoğunlaşma Akışının ve Isı Transferinin Simülasyonu
Bu makalede
Özet
Özet
Doğal gaz sıvılaştırma işleminin temel bir bileşeni olan spiral sarımlı ısı değiştiriciler, LNG üretiminde kritik bir rol oynar. Spiral tüpler içerisindeki azeotropik olmayan hidrokarbon karışımlarının yoğuşma akışını ve ısı transferi özelliklerini kapsamlı bir şekilde anlamak amacıyla bu çalışma gerçekleştirilmiştir. Bu çalışmadaki yüksek hassasiyetli sayısal inceleme; profesyonel bir modelleme aracıyla geometri oluşturma, özel bir ağ oluşturma yazılımıyla mesh üretimi, ticari bir çözücü içinde sayısal hesaplama (gerçek zamanlı yakınsama izleme dahil) ve nicel son işleme aşamalarını içeren iyi tanımlanmış bir iş akışı tarafından yönlendirilmiştir. Bu entegre yaklaşım, ortaya çıkan sayısal modelin yüksek sadakatini sağlar. Klasik deneysel verilerden (Neeraas'ın deneysel verileri) maksimum sapmalar, ısı transfer katsayısı için %15'in, sürtünme kaynaklı basınç düşümü gradyanı için ise %10'un altında kalmaktadır. Simülasyon sonuçları, sarım periyotlarının ve genliklerinin değiştirilmesinin ısı transferi sürecinde benzer salınımlı eğilimler oluşturduğunu ve hem iyileştirici hem de azaltıcı etkiler sergilediğini ortaya koymaktadır. Özellikle, sarım periyodu ısı transferi performansını ±%20 oranında değiştirirken, sarım genliği ise ±%10 oranında etkilemektedir.
Giriş
Nispeten temiz bir fosil yakıt olan doğal gaz, yanma sırasında kömür ve petrole göre önemli ölçüde daha az karbondioksit ve diğer kirleticiler yayar. Yenilenebilir enerji sistemlerine yönelik küresel geçiş sürecinde doğal gaz, enerji arzının istikrarını ve güvenilirliğini koruma yeteneği nedeniyle sıklıkla bir "köprü yakıt" olarak kabul edilir1. Sıvılaştırma yoluyla, gaz halindeki doğal gaz kriyojenik bir sıvıya (LNG) soğutulur; bu işlem hacmini yaklaşık 600 kat azaltarak taşıma ve depolamayı büyük ölçüde kolaylaştırır2. Spiral sarımlı ısı değiştirici (SWHE), doğal gaz sıvılaştırma sürecinin merkezi bir bileşenidir. Bu tip ısı değiştirici, merkezdeki bir mandrel etrafında zıt yönlerde katman katman sarılmış, silindirik bir gövde içine sabitlenmiş bir dizi spiral tüpten oluşur ve ısı değişimi için yeterli boşluğu sağlamak amacıyla katmanlar arasında ayırıcılar bulunur. Spiral konfigürasyonu sayesinde SWHE, küçük bir alanda geniş bir ısı transfer yüzey alanı sağlar3. Bu kompakt tasarım, onu büyük tesislere, özellikle de alanın oldukça kısıtlı olduğu açık deniz yüzer üretim platformlarına entegrasyon için son derece uygun hale getirir. LNG üretiminde yaygın olarak kullanılan karma soğutucu sıvı sıvılaştırma süreçlerinde, azeotropik olmayan hidrokarbonlar tüplerin içinde yukarı doğru akarken, gövde tarafındaki soğuk akışkan, tüp demeti içindeki boşluklardan ters akımlı bir şekilde aşağı doğru akar. Bu koşullar altında, tüp tarafındaki temel süreç, karmaşık gaz-sıvı iki fazlı akışı içeren, spiral tüpler içindeki azeotropik olmayan hidrokarbonların yoğuşmasıdır4,5.
Tüpler içindeki yoğuşmanın akış ve ısı transferi özelliklerini doğru bir şekilde öngörmek için kapsamlı araştırmalar yapılmıştır. Tek bileşenli alkanlar için Fries ve ark.6, yatay tüplerde propanın yoğuşma ısı transferi özelliklerini ölçmüş ve tüp çapı ile doygunluk basıncı azaldıkça basınç düşümünün arttığını saptamıştır. Ayrıca yerçekiminin, tüpün alt kısmındaki ısı transfer katsayısını üst kısmındakinden daha düşük hale getirdiğini belirtmişlerdir. Zhuang ve ark.7,8, yatay tüplerde metan ve etanın yoğuşmasını incelemiş; ısı transfer katsayısının ve sürtünme kaynaklı basınç düşümünün akış hızı ve buhar kalitesi ile birlikte arttığını göstermiştir. Daha önceki bir çalışma9, mikrokanallardaki propan yoğuşma sürecini analiz ederek ısı transferi ve basınç düşümü eğilimlerinin geleneksel kanallardakine benzer olduğunu onaylamıştır. Karışık soğutucular için Smit ve ark.10, yatay tüplerde R22/R142b karışımlarının yoğuşmasını araştırmış ve düşük kütle akılarında R142b kütle fraksiyonunun artırılmasının ısı transfer katsayısını önemli ölçüde azalttığını bulmuştur. Berrada ve ark.11, bir R134a/R23 karışımını incelemiş ve farklı bileşen oranları altında sıcaklık kaymasının ısı transferi üzerinde çok az etkisi olduğunu saptamıştır. Neeraas, spiral tüplerde etan/propan karışımları üzerine deneyler yürütmüş ve karıştırma etkisinin yoğuşma ısı transfer katsayısının hesaplanmasını önemli ölçüde etkilediğini belirtmiştir12. Sayısal simülasyonlarda Li ve ark.13, etan/propan yoğuşma sürecini simüle etmiş ve ısı transfer katsayısı ile sürtünme kaynaklı basınç düşümünün artan doygunluk basıncıyla birlikte azaldığını göstermiştir. Qiu ve ark.14, spiral tüplerde propan yoğuşmasını simüle ederken buhar-sıvı sürüklenme etkisini dahil etmiştir; sonuçları, bu etkinin dikkate alınmasının simülasyon sonuçları ile deneysel veriler arasındaki sapmayı %25'in altına düşürdüğünü göstermiştir.
Çeşitli çalışma akışkanları ve kanal konfigürasyonları üzerine yapılan kapsamlı araştırmalara rağmen, literatürde tipik olarak incelenen saf veya ikili akışkanlar ile endüstriyel LNG üretiminde kullanılan çok bileşenli karışımlar arasında önemli bir boşluk bulunmaktadır. Özellikle, karmaşık akış kanalları içerisinde üç veya daha fazla bileşen içeren azeotropik olmayan hidrokarbon karışımlarını hedefleyen sayısal incelemeler oldukça sınırlıdır15. Ayrıca, açık deniz LNG platformlarının benzersiz uygulamalarıyla ilgili olarak, deniz ortamının neden olduğu ekipman hareketinin yoğuşma akışını ve ısı transferi davranışını nasıl değiştirdiğine dair kapsamlı bir anlayış eksikliği hâlâ mevcuttur. Bu araştırma boşluklarını gidermek için bu çalışma, ayrıntılı bir üç boyutlu, iki fazlı yoğuşma akış modeli geliştirmek amacıyla hesaplamalı akışkanlar dinamiği (CFD) simülasyonlarını mevcut deneysel verilerle birleştirmektedir. Klasik deneysel verilere dayanarak simüle edilen ısı transfer katsayısı ve sürtünme kaynaklı basınç düşüşü karşılaştırılmış ve analiz edilmiştir. Bu model temelinde makale, çok bileşenli yoğuşma ısı transferi üzerinde karmaşık hareketlerin temel mekanizmalarını incelemek için, özellikle yuvarlanma koşulları altında, spiral borulardaki temsili gaz sahası bileşimlerinin yoğuşma sürecini simüle etmeye odaklanmaktadır. Bu çalışma, açık deniz doğal gaz sıvılaştırma süreçlerinde verimli ısı değiştiricilerin tasarımı ve optimizasyonu için güvenilir bir teorik temel ve mühendislik rehberi sağlamaktadır.
Protokol
Bu çalışma, helisel tüp içindeki yoğuşma sırasında yerel ısı transferi ve basınç düşümü özelliklerine odaklandığından, akış tam gelişmiş hale geldiğinde yerel akış ve termal davranışın doğru bir şekilde temsil edilmesini sağlayan indirgenmiş bir alan kullanılabilir. Deneysel verilerle doğrulama yapmak amacıyla, Neeraas tarafından önerilen fiziksel modele12 dayanarak; 14 mm tüp çapı, 10° helis açısı ve 2 m bobin çapına sahip üç bölümlü bir helisel tüp modeli oluşturulmuştur. Model üç bölgeden oluşmaktadır: tam gelişmiş bölüm (0.6 m), test bölümü (0.2 m) ve basınç stabilizasyon bölümü (0.2 m). Tam gelişmiş bölüm, akışın ilgi duyulan bölgeye girmeden önce yeterince gelişmiş olmasını sağlar. Test bölümü, deneysel verilerle karşılaştırma yapmak ve yerel akış ile ısı transferi özelliklerinin ayrıntılı analizi için kullanılır. Basınç stabilizasyon bölümü, çıkış basıncı stabilitesini korumak ve geri akışı önleyerek test bölümünde elde edilen sonuçların etkilenmesini engellemek için tasarlanmıştır. Kullanılan modelleme yazılımı Materyaller Tablosu'nda belirtilmiştir.
1. Fiziksel model ve ağ
- Modelleme yazılımını açın. Alt durum çubuğunda Sketch Mode (Taslak Modu) seçeneğini belirleyin ve taslak ortamına girmek için Z–X plane (Z–X düzlemi) üzerine tıklayın.
- Üst araç çubuğunda Circle (Çember) aracını seçin. Orijinde 14 çapında bir çember çizin, ardından Enter tuşuna basın. Üst araç çubuğundaki Return to 3D Mode (3B Moda Dön) seçeneğine tıklayın. Taslak çemberi daha sonra bir yüzeye dönüştürülecektir.
- Oluşturulan dairesel yüzeyi seçin. Üst araç çubuğundaki Move (Taşı) aracına (kısayol: M) tıklayın. Yüzey üzerinde bir triad manipülatörü (üç eksenli tutamaç) görünecektir. Manipülatörün merkezindeki sarı küreyi, rotasyon ve translasyon için referans görevi görecek olan global orijine (0, 0, 0) sürükleyin.
- Kırmızı oku X ekseni boyunca sürükleyin, 10 mm değerini girin ve Enter tuşuna basın. Rotasyon: X ekseni etrafındaki rotation ring (rotasyon halkasına) (mavi veya yeşil yay) tıklayın, 10° değerini girin ve Enter tuşuna basın.
- Üst araç çubuğundaki Pull tool (Çekme aracı) seçeneğine (kısayol: P) tıklayın ve dairesel yüzeyi seçin. Sol panelde Revolve (Döndür) seçeneğini belirleyin. Ardından, rotasyon ekseni olarak global koordinat sisteminin Z eksenini seçin. Sol paneldeki Helix (Helis) seçeneğini etkinleştirin. Volume 1'i (Hacim 1) oluşturun: Giriş kutusuna veya sol panele 138.87 mm yükseklik ve 45.16° açı girin, ardından Enter tuşuna basın. İlk akışkan alanı oluşturulur.
- Volume 2'yi (Hacim 2) oluşturun: Volume 1'in yeni uç yüzeyini seçin. Rotasyon ekseni olarak yine Z eksenini kullanarak helisel çekme işlemini tekrarlayın. 69.4 yükseklik ve 2.58° açı değerlerini girin.
- Volume 3'ü (Hacim 3) oluşturun: Volume 2'nin yeni uç yüzeyini seçin. Aynı yöntemi kullanarak, Volume 2 ile aynı parametrelerle Volume 3'ü oluşturun.
- Üst menü çubuğundaki Workbench sekmesine tıklayın. Share (Paylaş) düğmesine tıklayın. Yazılım, üç hacim arasında kesişen iki yüzeyi otomatik olarak vurgulayacaktır. Sağdaki Complete (Tamamla) (onay işareti) düğmesine tıklayın.
- Sol paneldeki Groups (Gruplar) sekmesine tıklayın. İlk hacmin başlangıç dairesel yüzeyini seçin, ardından Create Named Selection (Adlandırılmış Seçim Oluştur) seçeneğine tıklayın ve bunu inlet (in) (giriş) olarak tanımlayın.
- Üçüncü hacmin son dairesel yüzeyini seçin, bir grup oluşturmak için Ctrl + G tuşlarına basın ve bunu outlet (out) (çıkış) olarak tanımlayın.
- Üç hacmin dış silindirik yüzeylerini seçin ve bunları duvar sınırları olarak tanımlayın: wall1, wall2 ve wall3.
- Soldaki yapı ağacında Ctrl tuşuna basılı tutarak üç katıyı seçin. Bir grup oluşturmak için Ctrl + G tuşlarına basın ve bunu fluid (akışkan) olarak yeniden adlandırın.
- Oluşturulan geometriyi Mesh (Ağ) modülüne bağlayın ve Meshing yazılımını açmak için çift tıklayın. Sol ağaçta Mesh seçeneğine tıklayın. Sol alttaki Details (Detaylar) panelinde Sizing (Boyutlandırma) seçeneğini genişletin ve Element Size (Eleman Boyutu) değerini 3 olarak ayarlayın.
- Ağaçtaki Mesh seçeneğine sağ tıklayın, Insert, Sizing adımlarını izleyin. Geometri olarak giriş yüzeyini (in) seçin ve Apply (Uygula) düğmesine tıklayın. Element Size değerini 0.6 olarak ayarlayın.
- Mesh seçeneğine sağ tıklayın, Insert, Inflation adımlarını izleyin. Geometry: Her üç akışkan alanını seçin ve Apply düğmesine tıklayın. Boundary: Wall olarak tanımlanan dış duvar yüzeylerini seçin, ardından Apply düğmesine tıklayın. Seçeneği First Layer Thickness (İlk Katman Kalınlığı) olarak değiştirin. First Layer Height (İlk Katman Yüksekliği): 0.01mm. Maximum Layers (Maksimum Katmanlar): 15. Growth Rate (Büyüme Oranı): 1.25.
- Mesh seçeneğine sağ tıklayın, Insert, Method adımlarını izleyin. Üç akışkan alanını seçin ve Apply düğmesine tıklayın. Method açılır menüsünde Sweep (Süpürme) seçeneğini belirleyin. Bu Selection (Seçim) altında, Manual Source (Manuel Kaynak) seçeneğini belirleyin. Kaynak yüzey olarak giriş yüzeyini (in) seçin ve Apply düğmesine tıklayın.
- Ağaçtaki Mesh seçeneğine sağ tıklayın ve Generate Mesh (Ağ Oluştur) seçeneğini belirleyin. Bu çalışmada, ağ kalitesi sıkı bir şekilde kontrol edilmiştir. Oluşturulan ağın minimum Orthogonal Quality (Ortogonal Kalitesi) 0.90'ın üzerindedir.
2. Simülasyon yazılımının çalıştırılması
- Çözümleme yazılımını açın. Şuraya gidin: Dosya sekme ve altında Okuyun, seçin MeshArdından şuraya gidin: Ölçekli Ağ ve ayarlayın Mesh mm cinsinden oluşturuldu.
- İçinde Çözücü ayarları, seçin Basınç Tabanlı Çözücü, seçin Mutlak için hız formülasyonuve ...'yı etkinleştirin Geçici seçenek süre boyunca.
NOT: Salınım denkleminin sabit bir referans durumu üzerine bindirilmesi ve kullanıcı tanımlı bir fonksiyon aracılığıyla uygulanmasıyla, hareketli koordinat çerçevesi salınımlı durumu temsil edebilir. - Tıklayın Kullanıcı Tanımlı, ardından seçin FonksiyonlarYorumlanan UDF'ler (Interpreted UDFs) bölümünde, derlenmiş osilasyon dosyasını yükleyin.
NOT: Ortaya çıkan hareket Denklem (1)'de gösterildiği şekilde ifade edilmiştir. Statik-mesh metodolojisi benimsenmiş ve hareketli bir koordinat çerçevesi kullanılarak uygulanmıştır. Çalkalanmanın temel fiziği, akışkanın kap sınırı ile olan bağıl hareketine dayanmaktadır. Çalkalanma uyarımı, momentum denklemlerinde eşdeğer dinamik ivme kaynağı terimleri olarak temsil edilerek, sabit bir mesh üzerinde dinamik akışkan kuvvetlerinin eksiksiz bir şekilde yeniden üretilmesine olanak sağlanmıştır.
(1)
Denklemde, Tc salınım periyodunu temsil eder ve Lütfen çevirmek istediğiniz metni sağlayın. salınımla oluşan yer değiştirmeyi belirtir. - Ayarlayın Yerçekimi ivmesi içindeki Y-yönüne doğru −9,81 m/s2Altında Modelleretkinleştir Enerji ve ...'yı açın Enerji Denklemi.
- Altında Modelleretkinleştir Viskoz ve şunları seçin Reynolds Gerilme Modeli (7 denklem). Şuradaki Reynolds stres modeli ayarları, seçin Lineer Basınç-Gerinimİçin Duvar Yakını İşlemiseçiniz Ölçeklenebilir Duvar Fonksiyonları.
- İçinde Fazlar, set Faz-1 (Birincil Faz) olarak gaz ve Faz-2 (İkincil Faz) olarak sıvıAltında Genel Seçenekleretkinleştir Yüzey Gerilimi Kuvveti Modellemesive şunları seçin Süreklilik Yüzey Kuvveti modeli.
NOT: Çok bileşenli karışımların CFD çalışmalarında yaygın olarak kabul gören bir metodoloji olan, sıcaklığa ve basınca bağlı termofiziksel özelliklere dayalı eşdeğer bir sözde-akışkan yaklaşımı benimsenmiştir. Sabit bir başlangıç karışım bileşimi temel alınarak; yoğunluk, dinamik viskozite, termal iletkenlik, özgül ısı kapasitesi ve doygunluk özellikleri dahil olmak üzere duruma bağlı termofiziksel özellikler, tüm çalışma sıcaklığı ve basınç aralıkları boyunca NIST REFPROP veri tabanı kullanılarak hesaplanmış ve oluşturulmuştur. Mevcut çalışmada karışım, simülasyon boyunca homojen bir makro-bileşimi korumaktadır. NIST kaynaklı değişken özelliklerin kullanılması, gereksiz hesaplama yükünden kaçınırken çok bileşenli akışkanın doğrusal olmayan termofiziksel özelliklerini doğru bir şekilde yakalamaktadır. - Etan-propan karışımı örnek alındığında, 0,56 buhar kalitesi ve 3,2 MPa basınçta sıvı faz özelliklerini şu şekilde tanımlayın: Materyaller Aşağıdaki gibidir:
- Yoğunluk: 393,06 kg/m³3
- Özgül ısı kapasitesi (Cp): 386,4 J/(kg·K)
- Termal iletkenlik: 0,078798 W/(m·K)
- Viskozite: 5,4796 × 10⁻5 Pa·s
- Molekül ağırlığı: 37,15 kg/kmol
- Standart hal entalpisi: 0
- Referans sıcaklık: 321 K
- Materyaller bölümünde, gaz fazı özelliklerini şu şekilde tanımlayın:
- Yoğunluk: 67,49 kg/m³3
- Özgül ısı kapasitesi (Cp): 348,7 J/(kg·K)
- Termal iletkenlik: 0,03035 W/(m·K)
- Viskozite: 1,129 × 10⁻5 Pa·s
- Molekül ağırlığı: 34,756 kg/kmol
- Standart durum entalpisi: 0
- Referans sıcaklık: 321 K
- Ayarlayın giriş sınır koşulu olarak Kütlesel Akış Girişi(kütle akısı 300 kg/(m2·s)), the çıkış Lütfen çevrilmesini istediğiniz metni sağlayın. Basınç Çıkışı(0 Mpa) ve duvar sınır koşulu olarak Isı Akısı(-10340W/m2).
- Altında Yöntemler, şunları seçin PISO algoritması çözüm yöntemleri için. İçin Hacim Oranı, seçin Geo-Rekonstrüksiyon.
NOT: Akışkan hacmi (VOF) yöntemi, çalkalanma ve termal faz değişimi süreçlerindeki makro ölçekli serbest yüzey topolojik evrimini izlemek için yaygın olarak kabul görse de, arayüz yakalama hassasiyetinde ve mikro ölçekli arayüz dalgalanmalarının yakalanmasında doğal sınırlamalar devam etmektedir. VOF formülasyonu temel olarak ayrık hücre faz hacim oranlarına dayanır. Burada kullanılan Geo-Reconstruct şeması sayısal difüzyonu önemli ölçüde azaltmaktadır; ancak alt ızgara mikro damlacıklarının, sprey oluşumunun veya mikro arayüz yapılarının çözümlenmesi, yerel ızgara iyileştirmesi ile kesin surette sınırlı kalmaktadır. Bu araştırmada öncelik verilen makro ölçekli çalkalanma dinamiği, kütle termal konveksiyonu ve faz değişimi kütle transferi yasaları için, yaklaşık 1,42 milyon ızgara elemanına sahip mevcut VOF çerçevesi, topolojik doğruluk ve hesaplama maliyeti arasında optimal bir denge sağlamaktadır. - İçinde Monitörlerşu durumlar için izleme kurulumunu yapın:
- Test bölümünün giriş ve çıkışındaki basınç.
- Giriş ve çıkış sıcaklığı.
- Duvar sıcaklığı.
- Giriş ve çıkıştaki hacim oranı.
NOT: Enerji kalıntısı için yakınsama kriteri 1 × 10⁻ olarak ayarlanmıştır8, geri kalan parametreler için ise değerler 1 × 10⁻ olarak ayarlanmıştır4Alan ağırlıklı ortalama sıcaklık ve test kesiti boyunca toplam basınç düşüşü dahil olmak üzere kritik küresel değişkenler dinamik olarak izlenmiştir. Hesaplamalar, akış alanının tam gelişmiş ve kararlı bir duruma ulaştığından emin olmak amacıyla, bu değişkenlerde artık dalgalanma görülmeyene kadar sürdürülmüştür.
- Yöntem seçim standart başlatmasını başlatın, tüm bölgelerden hesaplayın. Başlatmadan sonra, şunun içinde Hesaplamayı Çalıştır panel, set: Zaman Adımı Boyutu: 1 × 10⁻4 s ve Zaman Adımı Sayısı: 1 × 106.
3. Son işlem ve veri dışa aktarma yapılandırması
- Calculation Activities panelinde, Autosave penceresini açmak için Autosave (Every Flow Time) seçeneğine tıklayın. Autosave ayarlarında, Save Data File Every [s] değerini 0.01 olarak ayarlayın ve kayıt aralığı türü olarak Flow Time seçeneğini belirleyin. Save Associated Case Files Type (İlişkili Durum Dosyalarını Kaydet Türü) için Only if Modified seçeneğini seçin ve ardından OK düğmesine tıklayın.
- Results panelinden Contours penceresini açın. Contours ayarlarında; Filled, Node Values, Boundary Values, Global Range ve Auto Range seçeneklerini etkinleştirin.
- contour türü olarak Phases seçeneğini, variable olarak ise Volume Fraction seçeneğini belirleyin, ardından hedef faz olarak phase-1'i tanımlayın. Son olarak, kontur dağılımını görselleştirmek için Save/Display düğmesine tıklayın.
NOT: Isı transfer katsayısı, duvar ısı akısının, test bölümünün giriş ve çıkışı arasındaki sıcaklık farkından elde edilen sıcaklık itici gücüne bölünmesiyle hesaplanır. Çalkalanma koşulları altında, zamana göre ortalaması alınmış ısı transfer katsayısı benimsenir. Basınç düşüşü, giriş ve çıkış basınçları arasındaki farkın izlenmesiyle belirlenir ve sürtünmeli basınç düşüşü gradyanı, daha sonra bu basınç düşüşünün boru segmentinin uzunluğuna oranı olarak hesaplanır. - Giriş ve çıkış sıcaklık ile basınç değerleri gibi elde edilen verileri Excel'e aktarın.
- Bölüm 3.3'teki hesaplama yöntemine göre giriş ve çıkış arasındaki sıcaklık farkını ve basınç farkını elde edin.
Sonuçlar
Doğrulanmış sayısal model kullanılarak, farklı çalışma parametreleri boyunca ısı transfer katsayısındaki değişimleri ve sürtünme basınç düşüşünü sistematik olarak incelemek amacıyla gerçek sıvılaştırma işlemi simüle edilmiş, böylece ısı değiştiricilerin tasarımı ve optimizasyonu için teorik bir temel sağlanmıştır. Temel sonuçlar şu şekilde özetlenmiştir: saf bir akışkanın yoğuşması için ısı transferi, gaz-sıvı arayüzey sıcaklığının çekirdek buhar sıcaklığına eşit olduğu ve her ikisinin de doyma sıcaklığına karşılık geldiği, tüp duvarına bitişik sıvı filmle öncelikli olarak sınırlıdır. Buna karşılık, bir karışımın yoğuşması, hem sıvı film hem de buhar çekirdeği içinde eş zamanlı ısı transferi ile karakterize edilen dengesiz bir süreçtir. Sonuç olarak, gaz-sıvı arayüzey sıcaklığı dökme doyma sıcaklığından sapar ve buna arayüzey konsantrasyonunun dengeli doygun durumdan kayması eşlik eder. Bu işlem sırasında, daha az uçucu bileşen öncelikli olarak yoğuşur ve bu durum daha uçucu bileşenin faz arayüzeyinde birikmesine neden olur. Bu birikme, daha uçucu bileşenin yerel konsantrasyonunu artırarak arayüzey ile dökme buhar arasında bir konsantrasyon gradyanı oluşturur. Bu gradyan, daha az uçucu bileşenin yoğuşmasını engelleyen önemli bir kütle transfer direnci oluşturarak yoğuşma ısı transfer katsayısını düşür.
Hacim Oranı Denklemi:
(2)
(3)
Gaz ve sıvı faz hacim oranları aşağıdaki koşulu sağlamaktadır:
(4)
Enerji denklemi:
(5)
Faz geçişi Lee modeli:
(6)
(7)
Burada S(αl), birim hacim ve birim zaman başına faz değişimi ile ilişkili kütle transfer hızını; αl, sıvı faz hacim oranını; αg, gaz faz hacim oranını; u⃗, iki fazın ortak hızını m/s; ρ, hacim oranı ağırlıklı ortalama ile elde edilen karışım yoğunluğunu kg/m3; µ, karışımın dinamik viskozitesini Pa·s; h, gaz ve sıvı fazların ortalama entalpisini J/kg; λeff, gaz ve sıvı fazlar arasındaki etkin ısı iletkenliğini W/(m·K); r, zaman gevşeme faktörünü 1/s temsil eder ve bu makalede 104 olarak belirlenmiştir; Ts ise doyma sıcaklığıdır. Çalışma akışkanları karışımının yoğuşma sırasındaki davranışı, temel olarak bileşenlerin uçuculuğu nedeniyle saf çalışma akışkanlarının davranışından farklılık gösterir.
Kütlesel akı, buhar kalitesi ve doyma basıncı, yoğuşma ısı transfer katsayısı ve sürtünme kaynaklı basınç düşümü üzerinde önemli etkilere sahiptir. Kütlesel akı arttıkça akış hızı yükselir, bu da buhar filminin bozulmasını şiddetlendirerek film içindeki ısı transferini artırır ve sonuç olarak ısı transfer katsayısının genel bir artışına yol açar. Aynı zamanda, buhar fazının sıvı film üzerine uyguladığı kayma gerilmesi güçlenerek daha yüksek bir sürtünme kaynaklı basınç düşümüyle sonuçlanır. Artan buhar kalitesiyle birlikte, hem fazlar arasındaki kayma oranı hem de karışım hızı artar; bu durum sıvı film ile duvar arasındaki kayma etkileşimini ve buhar ile sıvı fazlar arasındaki ara yüzey kaymasını güçlendirir. Bu durum ısı transfer performansını artır. Bu koşullar altında kayma etkileri baskın hale gelir ve karışım yoğunluğundaki azalma, sürtünme kaynaklı basınç düşümündeki artışa daha fazla katkıda bulunur. Doyma basıncı da akış ve ısı transferi özelliklerinin belirlenmesinde kritik bir rol oynar. Düşük doyma basınçlarında buhar yoğunluğu azalırken akış hızı artar, bu da daha ince bir sıvı filme ve azalmış termal dirence yol açarak ısı transferini iyileştirir. Buna karşılık, daha yüksek doyma basınçlarında akışkan sıcaklığı yükselir, sıvı yoğunluğu ve viskozitesi azalır; bu da sıvı film ile duvar arasındaki kayma etkileşimini zayıflatarak sürtünme kaynaklı basınç düşümünde bir azalmaya neden olur. 0.5 buhar kalitesinde, kütlesel akı 450'den 50 kg/(m2·s) değerine çıktığında, ısı transfer katsayısı 518'den 5637 W/(m2·K) değerine yükselerek %10'luk bir artış gösterir. Eş zamanlı olarak, sürtünme kaynaklı basınç düşümü 2523'ten 3442 Pa/m değerine çıkarak %36'lık önemli bir artış kaydeder.
Yuvarlanma periyodu ve yuvarlanma genliğinin ısı transfer süreci üzerindeki etkileri benzer eğilimler sergilemekte olup, her ikisi de ısı transferinin artması ve kötüleşmesinin bir arada bulunduğunu göstermektedir. Yuvarlanma hareketi, sıvı film içindeki türbülans yoğunluğunu değiştirir ve dolayısıyla filmin türbülans kinetik enerjisini etkiler. Döngü ortalamalı türbülans kinetik enerjisi arttığında, türbülansla güçlendirilmiş taşınım baskın hale gelir ve bu da ısı transferinin iyileşmesine yol açar. Buna karşılık, döngü ortalamalı türbülans kinetik enerjisi azaldığında, türbülansın zayıflaması ısı transfer performansını baskılar. Aynı zamanda, yuvarlanma hareketi sıvı filmdeki dalgalanmaları şiddetlendirir ve film kalınlığını değiştirir. Sıvı film kalınlığındaki azalma termal direnci düşürür ve böylece ısı transferini artırırken, film kalınlığındaki artış termal direnci yükseltir ve ısı transfer performansını zayıflatır. Türbülans kinetik enerjisindeki değişim ve sıvı film kalınlığındaki değişim olmak üzere bu iki mekanizma, etkileşime girerek bir yuvarlanma döngüsü boyunca genel ısı transfer davranışını birlikte belirler. Bu çalışmada ele alınan aralıkta, yuvarlanma periyodunun ısı transfer performansı üzerindeki etkisi yaklaşık ±20% içindeyken, yuvarlanma genliğinin etkisi ±10% içindedir.
Şekil 1Simüle edilmiş fiziksel modelin şematik diyagramı. Tam ölçekli helisel boruların simülasyonunun engelleyici hesaplama maliyeti nedeniyle, Şekil 1'de gösterildiği gibi basitleştirilmiş bir indirgenmiş alan modeli benimsenmiştir. Neeraas'tan alınan deneysel verilere göre doğrulama için12üç bölümlü bir model oluşturulur (tüp çapı: 14 mm, helis açısı: 10°, bobin çapı: 2 m). Akışı oluşturmak için tam gelişmiş bir bölüm (0,6 m), yerel veri karşılaştırması için bir test bölümü (0,2 m) ve geri akışı önleyip çıkış basıncı stabilitesini korumak için bir basınç stabilizasyon bölümünden (0,2 m) oluşmaktadır. Üç kısımdan meydana gelmekte olup, bunlardan ilki Cai tarafından daha önce yayımlanmış bir kitaptaki şematik diyagramdan türetilmiştir1. Bu şeklin daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.
Şekil 2Izgara bağımsızlık sonuçları. Şekil 2, ısı transfer katsayısı ve sürtünme kaynaklı basınç düşüşünün hücre sayısına bağlı olarak ızgara bağımsızlığı doğrulama sonuçlarını göstermektedir. Şekilde görüldüğü üzere, toplam hücre sayısı 0,60 milyondan 1,3 milyona çıktıkça hem ısı transfer katsayısı hem de sürtünme kaynaklı basınç düşüşü önemli ölçüde azalmaktadır. 1,3 milyon hücreden sonra, izlenen her iki nicelikteki değişimler stabilize olmaktadır; 1,85 milyon hücreye kadar yapılan daha ileri ağ iyileştirmeleri %0,5'ten daha düşük bir bağıl sapma vermekte olup bu durum ağ bağımsızlığının sağlandığını göstermektedir. Hesaplama doğruluğu ve kaynak harcaması dengelenerek, sonraki tüm simülasyonlar için yaklaşık 1,42 milyon hücreli ağ çözünürlüğü benimsenmiştir. Ayrıca, bu ızgara çözünürlüğünün hem durağan hem de sallanma koşulları için uygun olduğu doğrulanmıştır. Bu şeklin daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.
Şekil 3Isı transfer katsayısının sayısal simülasyon doğrulama sonuçları ve Neeraas deneysel verileri. Öngörülen ısı transfer katsayıları, 0,2–0,8 buhar kalitesi aralığında deneysel verilerle iyi bir uyum göstermektedir. Spesifik olarak, simülasyon sonuçları 0,2–0,4 buhar kalitelerinde deneysel verilerden biraz daha yüksekken; 0,5–0,8 buhar kalitelerinde deneysel değerler sayısal öngörüleri marjinal düzeyde aşmaktadır. Kantitatif değerlendirmeye göre maksimum sapma %15'tir. Bu şeklin daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.
Şekil 4Sürtünme basınç düşüşünün sayısal simülasyonu ile Neeraas deneysel verilerinin doğrulama sonuçları. Tahmin edilen sürtünme basınç düşüşü genel olarak deneysel sonuçlardan biraz daha yüksek olup, maksimum sapma %10'u geçmemektedir. Bu şeklin daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.
Şekil 5: Farklı kütle akıları altında gaz fazı hacim oranı (çap = 10 mm, buhar kalitesi = 0,5). Şekil 5, aynı buhar kalitesinde farklı kütle akıları için çıkış kesitindeki buhar hacim oranı dağılımlarını göstermektedir. Şekilde görüldüğü üzere, minimum buhar hacim oranı 0'dır ve bu durum, duvarın sıvı film tarafından tamamen ıslak kaldığını göstermektedir. Düşük kütle akılarında akış paterni temel olarak yerçekimi tarafından yönetilir ve tipik bir tabakalı akış yapısı sergiler. Kütle akısı arttıkça, buhar fazının sıvı film üzerine uyguladığı kayma gerilmesi giderek güçlenir ve sonunda akış davranışına hakim olarak akış paterninin tabakalı akıştan halkasal akışa kademeli olarak geçiş yapmasına neden olur. Ayrıca, buhar kalitesinin de akış paterni gelişimi üzerinde önemli bir etkisi vardır ve kütle akısı ile birlikte iki fazlı akış yapısındaki değişimi belirler. Bu şeklin daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.
Şekil 6Farklı kütle akıları altındaki ısı transfer katsayısı. Isı transfer katsayısının farklı kütle akılarına göre değişimi Şekil 6'da gösterilmiştir. Sabit bir buhar kalitesinde, ısı transfer katsayısı kütle akısının artmasıyla birlikte artar. Yoğuşma işlemi sırasında, borunun iç duvarı boyunca bir buhar filmi oluşur. Kütle akısı arttıkça akış hızı yükselir, bu da buhar filminin bozulmasını şiddetlendirerek film içindeki ısı transferini artırır ve böylece termal direnci azaltır. Sonuç olarak, yüksek kütle akılarında ısı transfer katsayısı daha yüksek olur. Bu sırada, kütle akışının artmasıyla birlikte sıvı filme karşılık gelen Reynolds sayısı da artar. Genel olarak kütle akısının, ısı transfer katsayısı üzerinde önemli bir etkisi vardır. Bu şeklin daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.
Şekil 7Farklı kütle akıları altında sürtünme kaynaklı basınç düşüşü. Şekil 7, farklı kütle akısı koşulları altındaki sürtünme kaynaklı basınç düşümü varyasyonunu göstermektedir. Sonuçlar, aynı buhar kalitesinde, sürtünme kaynaklı basınç düşümünün kütle akışı arttıkça önemli ölçüde arttığını göstermektedir. Bunun temel nedeni, daha yüksek bir kütle akısının daha yüksek bir akış hızına yol açması; bunun da buhar fazının sıvı film üzerine uyguladığı kayma kuvvetini ve duvar kayma gerilmesini artırarak daha büyük bir sürtünme kaynaklı basınç düşümüyle sonuçlanmasıdır. Genel olarak, kütle akısının sürtünme kaynaklı basınç düşümü üzerinde belirgin bir etkisi vardır. Bu şeklin daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.
Şekil 8Farklı buhar kaliteleri altında gaz fazı hacim oranı (çap = 10 mm). Şekil 8, dört farklı buhar kalitesi için çıkış buhar hacim oranı dağılımlarını göstermektedir. Hacim oranı, düşük buhar kalitesinde hızla artmakta ancak yüksek buhar kalitesinde 1 değerine yakın bir platoya ulaşmaktadır. Dört farklı akış paterni belirlenmiştir: tabakalı, yarı-anüler, anüler ve sis akışı. Düşük buhar kalitesinde yerçekimi baskındır ve bu durum, üstte buhar ve altta sıvının bulunduğu tabakalı bir akışla sonuçlanır. Buhar kalitesi arttıkça, baskın mekanizma olarak yerçekiminin yerini arayüzey kayma kuvveti alır ve akışı yarı-anüler ve anüler rejimler üzerinden sis akışına taşır. Lütfen bu şeklin daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için buraya tıklayın.
Şekil 9Farklı doygunluk basınçları altındaki gaz fazı hacim oranı. Doyma basıncı arttıkça sıvı yoğunluğu azalırken buhar yoğunluğu artmakta; bu durum iki faz arasındaki yoğunluk farkında bir değişime ve toplam karışım yoğunluğunda genel bir artışa yol açmaktadır. Bu sırada, gaz-sıvı kayma karakteristikleri değişmekte ve iki faz arasındaki ara yüzey kayması zayıflayarak buhar hacim oranının azalmasıyla sonuçlanmaktadır. Bu değişimler, ısı transfer katsayısı ve sürtünme kaynaklı basınç düşümü eğilimlerine daha doğrudan yansımaktadır. Bu şeklin daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.
Şekil 10Farklı doyma basınçları altındaki ısı transfer katsayısı. Şekil 10, farklı buhar kaliteleri ve doyma basınçları boyunca ısı transfer katsayılarını göstermektedir. Sabit bir buhar kalitesinde, daha düşük doyma basıncı daha yüksek bir ısı transfer katsayısı sağlar. Mekanistik olarak, daha yüksek basınç buhar yoğunluğunu artırarak akış hızını ve ara yüzey kayma gerilmesini azaltır. Bu durum sıvı filmini kalınlaştırarak termal direnci artır ve ısı transferini düşür. Ayrıca, doyma basıncının etkisi, buhar hızının baskın olduğu ve basınç kaynaklı yoğunluk değişimlerinin ara yüzey kayma gerilmesinde daha büyük varyasyonlara neden olduğu yüksek buhar kalitelerinde daha belirgin hale gelir. Bu şeklin daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.
Şekil 1Farklı doygunluk basınçları altında sürtünme kaynaklı basınç düşüşü. Şekil 1, farklı doyma basınçları altındaki sürtünme basıncı düşümü değişimini göstermektedir. Sonuçlar, aynı buhar kalitesinde, doyma basıncı arttıkça sürtünme basıncı düşümünün azaldığını göstermektedir. Farklı doyma basınçlarındaki hız dağılımı, aşırı soğutma sıcaklık alanı ve buhar hacim oranı dağılımı ile birlikte değerlendirildiğinde bu sonuçlar, daha yüksek doyma basıncının daha yüksek akışkan sıcaklığına karşılık geldiğini, bununla birlikte hem sıvı yoğunluğunun hem de viskozitenin azaldığını göstermektedir. Sonuç olarak, sıvı film ile duvar arasındaki kayma etkileşimi zayıflamakta ve bu da sürtünme basıncı düşümünde bir azalmaya yol açmaktadır. Bu şeklin daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.
Şekil 12Farklı yuvarlama periyotları altındaki gaz fazı hacim oranı (buhar kalitesi = 0,5, kütle akısı = 50 kg/(m2·s, A = 3 m). Sabit bir yuvarlanma genliğinde, daha kısa bir yuvarlanma periyodu, salınımlı hareketin tetiklediği daha güçlü bir ek atalet etkisine yol açarak akış alanında daha yoğun hız dalgalanmalarıyla sonuçlanır. Bu dalgalanmalar ayrıca, akışın hızlanma ve yavaşlama fazlarının birbirini izlediği belirgin bir periyodik davranış sergiler. Bu sırada yuvarlanma hareketi, sıvı filmin uzaysal dağılımını değiştirir ve akış modelini farklılaştırarak ısı transferini etkiler. Ortalama sıvı film kalınlığı arttıkça, filmin termal direnci yükselir ve ısı transfer performansı zayıflar. Buna karşılık, ortalama sıvı film kalınlığı azaldıkça filmin termal direnci düşer ve böylece ısı transferi artar. Akış rejimlerinin sınıflandırılması, Referans'ta önerilen akış modeli geçiş kriterlerine dayanmaktadır.4. Lütfen bu şeklin daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için buraya tıklayın.
Şekil 13Farklı haddeleme koşulları altında ısı transfer katsayısı dönemlerŞekil 13, yuvarlanma hareketi altındaki zaman ortalamalı ısı transfer katsayılarını (HTK), durağan referans değerle karşılaştırmaktadır. Yuvarlanma, HTK'yı ±%20 oranında değiştirerek hem iyileşme hem de kötüleşme sergilemektedir. Düşük HTK'larda (daha düşük buhar kalitesi), yuvarlanma; sıvı filmindeki türbülansı ve ara yüzey dalgalanmalarını yoğunlaştırarak ısı transferini artırmakta ve bu durum daha kısa yuvarlanma periyotlarında daha belirgin hale gelmektedir. Aksine, yüksek HTK'larda (daha yüksek buhar kalitesi), yuvarlanma; buhar çekirdeğini sıkıştırarak ve sıvı film kalınlığını artırarak (halkasal akıştaki ortalama kalınlaşma ve santrifüj etkileri aracılığıyla) ısı transferini bozmakta, böylece termal direnci yükseltmektedir. Sonuç olarak, açık deniz uygulamaları için uygun bir tasarım payı önerilmektedir. Şekildeki her bir veri noktası, bağımsız ve deterministik bir sayısal simülasyon durumuna karşılık gelmektedir. Yönetici denklemlerin CFD çözümü ölçüm gürültüsünü içermemekte, tekrarlanan deneysel denemelerin doğasında bulunan istatistiksel varyansı dışlamaktadır; bu nedenle, istatistiksel dağılımlara dayalı hata çubukları ne uygulanabilir ne de gereklidir. Bu şeklin daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.
Şekil 14Farklı haddeleme genlikleri altında ısı transfer katsayısıŞekil 14, farklı yuvarlanma genlikleri altındaki zaman ortalamalı ısı transfer katsayılarını (HTC), durağan referans değerle karşılaştırmaktadır. Yuvarlanma genliği, HTC'yi ±%10 oranında değiştirerek hem iyileşme hem de kötüleşme sergilemektedir. Düşük HTC değerlerinde (düşük buhar kalitesinde) yuvarlanma, sıvı film türbülansını ve ara yüzey dalgalanmalarını şiddetlendirerek —özellikle daha büyük genliklerde— ısı transferini artırmaktadır. Aksine, yüksek HTC değerlerinde (yüksek buhar kalitesinde) yuvarlanma, buhar çekirdeğini sıkıştırıp sıvı filmi kalınlaştırarak (halkasal akıştaki ortalama kalınlaşma ve santrifüj etkileri aracılığıyla) ısı transferini bozmakta ve böylece termal direnci artırmaktadır. Sonuç olarak, açık deniz uygulamaları için uygun bir tasarım payı bırakılması önerilmektedir. Lütfen bu şeklin daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için buraya tıklayın.
| Kütle akısı | Buhar | Basınç | Boru çapı (mm) | Sarma açısı | Sargı çapı (m) | dönme periyodu (s) | yalpalanma genliği (m) |
| kg/(m2·s) | kalite | MPa | ° | ||||
| 350–550 | 0.1–0.9 | 3–5 | 10 | 4 | 2 | 2–5 | 2–3 |
Tablo 1: Simüle edilen çalışma koşulları. Tablo 1, gerçek bir endüstriyel işlemin15 sıvılaştırma bölümündeki hafif hidrokarbon karışımı için simülasyon koşullarını özetlemektedir. Çalışma akışkanı; 5.314:1.407:0.04:23.709:19.53 molar oranında metan, propan, izopentan, etilen ve azottan oluşmaktadır. Hesaplama maliyetini minimize ederken, homojen karışımın tüm çalışma koşullarındaki lineer olmayan davranışını doğru bir şekilde yakalamak için NIST REFPROP kaynaklı özellikler kullanılmıştır.
Tartışma
Simülasyon güvenilirliğini korumak için kritik olan üç bölümlü konfigürasyon, test bölümünün üst akışında tam gelişmiş akış koşulları oluşturur ve çıkıştaki geri akışı bastırarak tahmin edilen sonuçların doğruluğunu optimize eder. Bu bakış açısı, yatay borular üzerine yapılan önceki çalışmalarda da yer almıştır1. Bu çalışmadaki ağ oluşturma sürecinde; birinci katman ağ yüksekliği, sınır tabaka sayısı ve minimum ortogonal kalite gereksinimi, simülasyon sonuçlarının doğruluğunu doğrudan etkiledikleri için aynı derecede kritiktir. Kütle akısı, buhar kalitesi ve doygunluk basıncı, yoğuşma ısı transferini ve basınç düşüşünü önemli ölçüde etkiler. Kütle akısının artırılması, buhar hızını ve ara yüzey kaymasını artırarak hem ısı transfer katsayısını hem de sürtünme kaynaklı basınç düşüşünü artırır. Buhar kalitesinin artırılması da ara yüzey kaymasını güçlendirir ve tabakalı akıştan halkasal ve sisli akışa geçişi teşvik eder. Buna karşılık, doygunluk basıncının artırılması hem ısı transfer katsayısını hem de sürtünme kaynaklı basınç düşüşünü azaltır. Bu eğilimler, hidrokarbon yoğuşması üzerine yapılan önceki deneysel ve sayısal çalışmalarla genel olarak tutarlıdır6,7,8,9,13. Azeotropik olmayan karışımlar için, buhar-sıvı ara yüzeyi yakınındaki bileşen yeniden dağılımının neden olduğu ek kütle transfer direnci de dikkate alınmalıdır10,11,12.
Önemli bir bulgu, yuvarlanma hareketinin yoğuşma ısı transferini ya artırabileceği ya da kötüleştirebileceğidir. İncelenen aralıkta, yuvarlanma periyodu ısı transfer performansını yaklaşık ±20% oranında değiştirirken, yuvarlanma genliği yaklaşık ±10% oranında varyasyonlar oluşturmaktadır. Bu davranış temel olarak sıvı film türbülansı ve film kalınlığı değişiminin birleşik etkilerinden kaynaklanmaktadır. Artan türbülans veya daha ince bir sıvı film ısı transferini artırırken, azalan türbülans veya filmin kalınlaşması performansın kötüleşmesine yol açar. Bu nedenle, genel ısı transfer tepkisi bu iki mekanizma arasındaki rekabete bağlıdır. Bu yöntem uygulanırken bazı sayısal hususlar dikkate alınmalıdır. Öngörülen ısı transferi ve basınç düşüşü sıvı film kalınlığına ve ara yüzey davranışına karşı hassas olduğundan, yeterli duvar yakın ağ çözünürlüğü ve uygun bir zaman adımı gereklidir. Ayrıca, yakınsama yalnızca kalıntılar (residuals) üzerinden değerlendirilmemelidir; sayısal salınımları, yuvarlanma kaynaklı gerçek dalgalanmalardan ayırt etmek için sıcaklık, basınç, buhar hacim oranı ve basınç düşüşü dahil olmak üzere temel fiziksel nicelikler de izlenmelidir.
Ancak, bu çalışmada sınırlı sayıda yalpa koşulu değerlendirilmiş olup, dinamik işletme koşullarının yoğuşma performansı üzerindeki etkisinin daha kapsamlı bir şekilde anlaşılması için daha geniş parametrik incelemelere halen ihtiyaç duyulmaktadır. Pratik açık deniz LNG uygulamalarında, ısı eşanjörleri, gemi hareketi nedeniyle meydana gelen; yalpa, yunuslama ve sapma hareketlerinin kombinasyonunu içeren karmaşık altı serbestlik dereceli hareketlere maruz kalabilir. Bu dinamik etkiler; helisel tüp içindeki yerçekimi alanını, ikincil akış yapılarını ve sıvı film dağılımını sürekli olarak değiştirerek yerel ısı transferi ve basınç düşüşü özelliklerini etkileyebilir. Bu nedenle, gelecekteki çalışmalar, deniz ortamlarındaki helisel serpantinli ısı eşanjörleri için daha eksiksiz bir performans değerlendirme çerçevesi oluşturmak amacıyla farklı yalpa genliklerinin, frekanslarının ve hareket yönlerinin birleşik etkilerini araştırmalıdır.
Ek olarak, özellikle bu çalışmada benimsenen çalışma akışkanı ile gerçek endüstriyel LNG süreçlerinde kullanılan azeotropik olmayan hidrokarbon karışımları arasındaki fark göz önüne alındığında, pratik işletme verileri kullanılarak daha fazla doğrulama yapılması gerekmektedir. Gerçek LNG sistemlerinde, karışık soğutucular, birden fazla bileşen arasındaki etkileşimler nedeniyle genellikle belirgin bir sıcaklık kayması ve karmaşık faz dengesi davranışı sergilerler. Bu özellikler yoğuşma mekanizmasını, ara yüzey kütle transferini ve yerel termofiziksel özellikleri etkileyebilir. Mevcut model genel akış ve ısı transferi eğilimlerini başarıyla öngörse de, modelin güvenilirliğini daha fazla doğrulamak ve endüstriyel koşullara uygulanabilirliğini artırmak için azot/metan/etilen/propan/izopentan karışımları gibi pratik beş bileşenli karışık soğutucuların kullanıldığı deneysel incelemeler gereklidir.
Ayrıca, seçilen türbülans modelinin yüksek buhar kalitesindeki anüler-sis akış koşulları altındaki uygulanabilirliği daha fazla araştırma gerektirmektedir. Bu akış rejiminde, güçlü arayüzey deformasyonu, damlacık sürüklenmesi ve yoğun türbülans etkileşimleri meydana gelebilir; bu da buhar çekirdeği ile sıvı faz arasında karmaşık momentum ve enerji değişimi mekanizmalarıyla sonuçlanabilir. Geleneksel türbülans modelleri, bu yüksek derecede anizotropik iki fazlı akış özelliklerini öngörürken belirsizliklere yol açabilir. Bu nedenle, gelecekteki araştırmalar, ekstrem çalışma koşulları altında öngörü doğruluğunu artırmak için gelişmiş türbülans modellerini, iyileştirilmiş arayüzey kuvvet korelasyonlarını veya arayüzey çözümlemeli sayısal yöntemleri değerlendirebilir. Sayısal sonuçların, bu çalışmada incelenen aralığı (3–5 MPa) önemli ölçüde aşan çalışma basınçlarındaki güvenilirliği de ek deneysel verilerle daha fazla doğrulanmaya ihtiyaç duymaktadır. Basınç değişimleri, soğutucu akışkanın termofiziksel özelliklerini, faz dengesi karakteristiklerini ve yoğuşma davranışını güçlü bir şekilde etkileyerek sayısal öngörüler ile gerçek performans arasında sapmalara yol açabilir. Benzer şekilde, mevcut çalışma 350–550 kg/(m2·s) aralığındaki kütle akılarını incelemişken, LNG ısı değiştiricileri daha yüksek kütle akılarında çalışabilmektedir. Önerilen sayısal modelin daha yüksek kütle akılarında yeterli doğruluğu ve genel uygulanabilirliği koruyup korumadığı, daha fazla deneysel ve sayısal çalışma ile teyit edilmelidir.
Bu sınırlamalara rağmen, mevcut çalışma, LNG uygulamaları için helisel bobinli ısı değiştiricilerin tasarımı ve optimizasyonu konusunda anlamlı teorik içgörüler ve nicel rehberlik sağlamaktadır. İncelenen çalışma aralığında, tasarım marjının yaklaşık %20 oranında artırılması, yuvarlanma koşullarının neden olduğu performans kaybını etkili bir şekilde telafi ederek açık denizdeki dinamik ortamlarda güvenilir çalışmayı sağlamak için pratik bir mühendislik yaklaşımı sunar. Bulgular, sadece hareket koşulları altındaki spiral bobinli ısı değiştiricilerde yoğuşma karakteristiklerinin daha derinlemesine anlaşılmasına katkıda bulunmakla kalmaz, aynı zamanda daha verimli ve dayanıklı LNG ısı transfer sistemlerinin geliştirilmesi için değerli referanslar sağlar.
Açıklamalar
Yazarlar, bu makalede bildirilen çalışmayı etkilediği düşünülebilecek herhangi bir finansal çıkar çatışması veya kişisel ilişkilerinin olmadığını beyan ederler.
Teşekkürler
Bu araştırma, Liaoning Eyaleti Eğitim Departmanı Üniversiteler için Temel Araştırma Projesi (Xianshi Fang için LJ212512594008) ve Shenyang Endüstriyel Ürün Test Teknolojisi ve Akıllı Test Ekipmanları Ana Laboratuvarı (JC2503, JC2512) tarafından desteklenmektedir.
Malzemeler
| Ad | Şirket | Katalog numarası | Yorumlar |
|---|---|---|---|
| Fluent | ANSYS | 2020r1 | simülasyon yazılımı |
| SpaceClaim | ANSYS | 2020r1 | modelleme yazılımı |
Kaynaklar
- 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.
- 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.
- 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.
- 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.
- 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.
- Fries S, Skusa S, Luke A. Heat transfer and pressure drop of condensation of hydrocarbons in tubes. Heat Mass Transfer. 2019;55:33-40.
- 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.
- 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.
- 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.
- 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.
- 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.
- 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.
- 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.
- 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.
- 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.