螺旋折流板管殼式換熱器內(nèi)LNG混合介質(zhì)流動(dòng)冷凝特性仿真平臺(tái)開發(fā)及影響因素分析

黃慶楠，陳杰，楊文剛，羅婷婷，丁國良，胡海濤

（1-上海交通大學(xué)制冷與低溫工程研究所，上海 200240，2-中海石油氣電集團(tuán)技術(shù)研發(fā)中心，北京 100028）

螺旋折流板管殼式換熱器內(nèi)LNG混合介質(zhì)流動(dòng)冷凝特性仿真平臺(tái)開發(fā)及影響因素分析

黃慶楠*1，陳杰2，楊文剛2，羅婷婷2，丁國良1，胡海濤1

（1-上海交通大學(xué)制冷與低溫工程研究所，上海 200240，2-中海石油氣電集團(tuán)技術(shù)研發(fā)中心，北京 100028）

螺旋折流板管殼式換熱器用于冷凝混合烴類介質(zhì)時(shí)，會(huì)產(chǎn)生冷凝不均導(dǎo)致設(shè)備效率降低等問題；但是由于換熱器體積和能耗巨大，難以通過大量的實(shí)驗(yàn)測(cè)試得出換熱器性能的規(guī)律。為了了解管殼式換熱器內(nèi)LNG混合介質(zhì)流動(dòng)冷凝特性，本文建立了一種用于螺旋折流板管殼式換熱器內(nèi)LNG混合介質(zhì)流動(dòng)冷凝的仿真模型。該模型考慮了流動(dòng)過程中的傳熱傳質(zhì)及氣相分率的變化，體現(xiàn)了換熱器結(jié)構(gòu)、螺旋折流板參數(shù)及工質(zhì)物性等各種因素對(duì)流動(dòng)和傳熱的影響，同時(shí)保證仿真的計(jì)算速度。此外，采用該模型開發(fā)的仿真平臺(tái)具有友好的用戶界面，方便用戶輸入仿真參數(shù)，準(zhǔn)確快捷地對(duì)換熱器性能進(jìn)行仿真，并以形象直觀的方式輸出仿真結(jié)果?；陂_發(fā)的仿真平臺(tái)，對(duì)螺旋折流板管殼式換熱器內(nèi)LNG混合介質(zhì)流動(dòng)冷凝特性的結(jié)構(gòu)影響因素進(jìn)行了分析，給出了最佳螺旋角的推薦值。

海水換熱器；殼管式；螺旋折流板；仿真平臺(tái)

0 引言

在海上天然氣綜合開發(fā)利用過程中，換熱器是液化天然氣（LNG）流程中不可缺少的重要組件[1]。螺旋折流板管殼式換熱器，作為一種特殊的管殼式換熱器，不但具備一般管殼式換熱器的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作可靠、耐高溫高壓的優(yōu)點(diǎn)，還具有換熱系數(shù)大、流動(dòng)壓降小等特點(diǎn)[2]。并且海水取用方便，可以作為冷卻劑為天然氣的液化預(yù)冷提供穩(wěn)定的冷源。因此海水冷卻的螺旋折流板殼管式換熱器具有廣闊的應(yīng)用潛力[3-4]。

螺旋折流板海水換熱器用于天然氣液化過程中，隨著殼側(cè)天然氣冷凝過程的進(jìn)行，組分不斷變化；同時(shí)由于殼側(cè)擋板作用，氣液兩相流體在殼側(cè)流動(dòng)，其流型和換熱特性受到運(yùn)行工況、運(yùn)行負(fù)荷、換熱器結(jié)構(gòu)的影響[5]。這些復(fù)雜的換熱特性，與已有用于其他用途的管殼式換熱器不同，如果仍然簡(jiǎn)單借鑒已有的管殼式換熱器研究經(jīng)驗(yàn)，可能會(huì)導(dǎo)致冷凝不均勻失效的問題[6]。因此，需要對(duì)螺旋折流板管殼式換熱器內(nèi)LNG混合介質(zhì)流動(dòng)冷凝特性開展研究。

已有文獻(xiàn)[7-14]對(duì)螺旋折流板換熱器殼側(cè)流動(dòng)換熱進(jìn)行了各類模擬和實(shí)驗(yàn)研究，證明了與普通的弓形折流板換熱器相比，螺旋折流板換熱器具有更好的綜合換熱性能，同時(shí)螺旋結(jié)構(gòu)能夠使殼側(cè)流場(chǎng)均勻化、減小壓降。但目前國內(nèi)外針對(duì)螺旋折流板式管殼式換熱器的實(shí)驗(yàn)研究[15-26]中，多將水作為管側(cè)冷流體，將水或油作為殼側(cè)熱流體，殼側(cè)為純工質(zhì)且沒有相變，且沒有殼側(cè)發(fā)生相變情況下?lián)Q熱及壓降關(guān)聯(lián)式可供參考。已有的研究成果不能拓展到螺旋折流板管殼式換熱器內(nèi)LNG混合介質(zhì)流動(dòng)冷凝特性的預(yù)測(cè)。而目前通用的主流換熱器設(shè)計(jì)軟件中，Aspen EDR (Shell & Tube) 等軟件只能處理普通折流板，不能針對(duì)螺旋板進(jìn)行仿真；只有HTRI可對(duì)螺旋板換熱器的核算和模擬計(jì)算，但其在兩相區(qū)的關(guān)聯(lián)式多來源CFD模擬，且其計(jì)算方法尚未公開。到目前為止，尚無關(guān)于螺旋折流板管殼式換熱器內(nèi)LNG混合介質(zhì)流動(dòng)冷凝特性的研究報(bào)道。

由于LNG螺旋折流板管殼式換熱器體積和運(yùn)行能耗巨大，結(jié)構(gòu)參數(shù)復(fù)雜，并且可燃的LNG混合介質(zhì)對(duì)設(shè)備有防爆要求，若直接進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，需要耗費(fèi)巨大時(shí)間和經(jīng)費(fèi)，難以通過實(shí)驗(yàn)測(cè)試得出換熱器性能的規(guī)律。而據(jù)文獻(xiàn)[27]，仿真方法投入少、運(yùn)算快、安全性高，能夠大幅度節(jié)省時(shí)間和經(jīng)濟(jì)成本，可以用于螺旋折流板管殼式換熱器內(nèi)LNG混合介質(zhì)流動(dòng)冷凝特性的研究。

本文的目的是開發(fā)螺旋折流板管殼式換熱器內(nèi)LNG混合介質(zhì)流動(dòng)冷凝特性仿真平臺(tái)，并基于仿真平臺(tái)分析該類型換熱器的性能影響因素，給出推薦的最優(yōu)換熱器結(jié)構(gòu)參數(shù)。

1 仿真對(duì)象分析與仿真平臺(tái)框架設(shè)計(jì)

海水由于其腐蝕性且容易結(jié)垢，不適宜在殼程流動(dòng)，因此設(shè)計(jì)海水在管程內(nèi)流動(dòng)；LNG混合介質(zhì)由于其不易結(jié)垢，要求流動(dòng)壓降小，LNG在殼程流動(dòng)冷凝，如圖1所示。

螺旋折流板管殼式換熱器殼側(cè)折流板呈螺旋型，使流體呈螺旋狀流動(dòng)。理想的折流板應(yīng)布置為連續(xù)的螺旋曲面，但由于連續(xù)螺旋曲面加工困難，且換熱管與折流板的配合也很難實(shí)現(xiàn)。為了便于加工，可采用一系列的扇形平面板替代連續(xù)曲面，通過扇形平面依次連接，在殼側(cè)形成近似螺旋的搭接式螺旋折流板。搭接式折流板根據(jù)交叉接觸點(diǎn)位置的不同分為連續(xù)搭接和交錯(cuò)搭接兩種布置方式。螺旋折流板的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)包括螺距和螺旋角，如圖1所示。

圖1 螺旋折流板主要結(jié)構(gòu)參數(shù)

殼側(cè)的LNG混合介質(zhì)在流動(dòng)冷凝過程中，不同組份開始冷凝的溫度不同，并伴隨著復(fù)雜的傳熱傳質(zhì)過程。同時(shí)，折流板的螺旋結(jié)構(gòu)迫使LNG混合介質(zhì)在直徑數(shù)米的殼體內(nèi)螺旋式向前流動(dòng)，這進(jìn)一步加劇了其冷凝流動(dòng)特性的復(fù)雜性。由于包括混合介質(zhì)組份、物性及換熱器結(jié)構(gòu)在內(nèi)的眾多因素均會(huì)影響LNG混合介質(zhì)的流動(dòng)冷凝特性，因此無法通過實(shí)驗(yàn)研究對(duì)這些因素逐個(gè)進(jìn)行測(cè)試，需要建立仿真平臺(tái)，對(duì)不同的影響因素進(jìn)行分析。仿真平臺(tái)的框架如圖2所示，主要包括輸入模塊、計(jì)算模塊和輸出模塊。

輸入模塊便于用戶輸入或?qū)氡匾膮?shù)，計(jì)算模塊可根據(jù)用戶的設(shè)置進(jìn)行設(shè)計(jì)或校核計(jì)算，最終通過輸出模塊以圖表、表格及文件等多種形式顯示結(jié)構(gòu)參數(shù)及熱力參數(shù)。仿真平臺(tái)具有設(shè)計(jì)和校核的功能。

開發(fā)圖2所示的螺旋折流板海水換熱器仿真平臺(tái)，最關(guān)鍵的是計(jì)算模塊中的仿真方法、相變流動(dòng)熱質(zhì)傳遞模型的確定，分別介紹如下。

圖2 螺旋折流板海水換熱器仿真平臺(tái)的框架設(shè)計(jì)

2 基于分段參數(shù)的仿真快速計(jì)算方法

2.1 換熱段的劃分

螺旋折流板海水換熱器殼側(cè)的熱交換過程中伴隨著傳質(zhì)，且冷凝過程氣相分率一直發(fā)生變化，使得冷凝器內(nèi)流體的物性也一直變化。如果采用一個(gè)定性溫度下的物性來計(jì)算整個(gè)冷凝器的傳熱和壓降，必然跟實(shí)際情況相差很大。為了準(zhǔn)確計(jì)算傳熱系數(shù)和壓降，對(duì)換熱器采用分段計(jì)算，每段均按照該段的物性來設(shè)計(jì)計(jì)算。

根據(jù)螺旋折流板海水換熱器自身的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，總體上按照殼側(cè)溫度或折流板的螺旋結(jié)構(gòu)進(jìn)行分段。對(duì)于發(fā)生相變的區(qū)段，則根據(jù)其狀態(tài)將該段在分為2段，如圖3所示。分別將冷凝過程中存在的過熱區(qū)和過冷去按照顯熱單獨(dú)計(jì)算，在其余兩相區(qū)的傳熱計(jì)算中，取每一小段內(nèi)氣相分率的平均值作為該段氣相分率值，計(jì)算時(shí)采用該氣相分率對(duì)應(yīng)的物性參數(shù)，并選擇對(duì)應(yīng)的計(jì)算關(guān)聯(lián)式。在計(jì)算時(shí)，先計(jì)算每一段的冷凝液膜傳熱系數(shù)。按照熱阻分配法計(jì)算出每一小段的綜合冷凝膜傳熱系數(shù)，結(jié)合管內(nèi)外表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)和管壁熱阻計(jì)算出每一段的總傳熱系數(shù)；然后計(jì)算每一小段的有效平均溫差，并根據(jù)傳熱方程式計(jì)算出每一小段的換熱面積（設(shè)計(jì)計(jì)算）或出口狀態(tài)（仿真計(jì)算）。

圖3 換熱段劃分示意圖

2.2 設(shè)計(jì)模式的計(jì)算方法

在設(shè)計(jì)模式中，需要在給定的熱力參數(shù)及部分結(jié)構(gòu)參數(shù)條件下，考慮允許壓降、長徑比等限制條件，設(shè)計(jì)出滿足要求的換熱器結(jié)構(gòu)。具體步驟如圖4所示，包括：

1）根據(jù)給定一側(cè)的進(jìn)出口狀態(tài)及流量確定換熱器總負(fù)荷，并得到另一側(cè)的狀態(tài)及流量；

2）根據(jù)殼側(cè)進(jìn)出口參數(shù)計(jì)算進(jìn)出口狀態(tài)，確定物性參數(shù)；

3）根據(jù)所需的負(fù)荷、管的排列方式、螺旋折流板結(jié)構(gòu)等參數(shù)，初步計(jì)算換熱面積；

4）基于初步設(shè)計(jì)計(jì)算結(jié)果，依照3.1中介紹的方法，進(jìn)行換熱段的劃分；

5）依次計(jì)算各換熱段的換熱系數(shù)、壓降、換熱面積及長度；

6）對(duì)各段的壓降累加，得到總壓降；

7）當(dāng)總壓降滿足要求時(shí)，對(duì)每個(gè)換熱段的換熱面積和長度進(jìn)行相加，求出總的換熱面積和長度。若不滿足要求，則重新進(jìn)行設(shè)計(jì)，重復(fù)步驟3～步驟7，直至滿足設(shè)計(jì)要求。

圖4 設(shè)計(jì)模式的計(jì)算方法

2.3 校核模式的計(jì)算方法

在校核模式中，需要針對(duì)給定結(jié)構(gòu)參數(shù)條件，檢驗(yàn)設(shè)計(jì)是否滿足能夠滿足負(fù)荷的要求。具體步驟如圖5所示，包括：

圖5 校核模式的計(jì)算方法

1）判斷殼側(cè)工質(zhì)的入口狀態(tài)，并依照3.1中介紹的方法對(duì)冷凝器進(jìn)行分段；

2）根據(jù)殼側(cè)進(jìn)出口參數(shù)計(jì)算進(jìn)出口狀態(tài)，確定物性參數(shù)；

3）假定管側(cè)的出口溫度；

4）從冷劑入口處開始，根據(jù)質(zhì)量和能量的守恒關(guān)系，依次計(jì)算各換熱段的換熱系數(shù)、壓降及該段的管側(cè)入口參數(shù)；

5）計(jì)算出整個(gè)冷凝器所有換熱段的溫度，得到換熱器的管側(cè)入口溫度；

6）比較換熱器管側(cè)入口溫度的假定值和計(jì)算值，如其誤差滿足軟件設(shè)定要求，則對(duì)每個(gè)換熱段的換熱面積和壓降進(jìn)行相加。若不滿足要求，則重新假設(shè)管側(cè)的出口溫度，重復(fù)步驟3～步驟6，直至滿足設(shè)計(jì)要求。

3 螺旋折流板海水換熱器流動(dòng)換熱模型

3.1 殼側(cè)流動(dòng)換熱模型

目前，已公開的針對(duì)螺旋折流板殼側(cè)流動(dòng)換熱和壓降關(guān)聯(lián)式[15-20]，是針對(duì)某種螺旋折流板參數(shù)開發(fā)的，如表1所示。由于影響螺旋折流板換熱器流動(dòng)換熱性能的熱力和結(jié)構(gòu)參數(shù)眾多，而已有的這些關(guān)聯(lián)式只考慮了單一的因素，無法拓展到LNG螺旋折流板換熱器性能的預(yù)測(cè)。

表1 已有的螺旋折流板管殼式換熱器殼側(cè)換熱及壓降關(guān)聯(lián)式

STEHLIK等[21]將螺旋折流板管殼式換熱器的換熱和壓降關(guān)聯(lián)式與傳統(tǒng)弓形折流板換熱器進(jìn)行了比較，總結(jié)出殼側(cè)流動(dòng)換熱和壓降的影響因子，用以進(jìn)行關(guān)聯(lián)式的修正。本文在STEHLIK[21]關(guān)聯(lián)式基礎(chǔ)上，通過實(shí)際運(yùn)行試驗(yàn)數(shù)據(jù)，對(duì)傳統(tǒng)管殼式換熱器的殼側(cè)流動(dòng)換熱和壓降關(guān)聯(lián)式進(jìn)行修正，得出所需的LNG與海水換熱的熱質(zhì)傳遞預(yù)測(cè)模型。

1）換熱關(guān)聯(lián)式

殼側(cè)單相區(qū)的換熱系數(shù)：

殼側(cè)兩相區(qū)換熱系數(shù)為：

式中：

αo——?dú)?cè)換熱系數(shù)；

ρR,sat,l，ρR,sat,g——飽和氣和飽和液態(tài)的密度；

λR,sat,l，μR,sat,l——飽和液的導(dǎo)熱系數(shù)和動(dòng)力粘度；

hlg——潛熱；

do——換熱管的外徑；

q——混合工質(zhì)質(zhì)量流量；

Y2、Y3、Y4、Y9、Y10——熱流體物性、管束排布、泄漏旁路以及C流路旁路各項(xiàng)校正因子[21]。

2）壓降關(guān)聯(lián)式

對(duì)于單相流體，單位螺距長度產(chǎn)生的其壓降可以通過理想的壓降與各修正因子相乘得到。

式中：

fshell——摩擦系數(shù)；

Ds——外殼內(nèi)徑；

De——等效直徑；

ρ——工質(zhì)密度；

Z2、Z3、Z6、Z7——熱流體物性、管束排布、泄漏旁路以及C流路旁路各項(xiàng)校正因子[21]；

φ2——兩相系數(shù)；

x——?dú)庀喾致剩?/p>

ρG、ρL——?dú)庀嗪鸵合嗟拿芏龋?/p>

μG、μL——?dú)庀嗪鸵合嗟膭?dòng)力粘度。

3.2 管側(cè)流動(dòng)換熱模型

1）管側(cè)換熱關(guān)聯(lián)式

管側(cè)海水在管內(nèi)受迫流動(dòng)，可按紊流區(qū)換熱公式計(jì)算[28-29]：

式中：

αi——管側(cè)換熱系數(shù)；

w——水的流速；

di——換熱管內(nèi)徑。

2）管側(cè)壓降

式中：

ΔPL——流體流過直管因摩擦阻力引起的壓力降；

ΔPr——流體經(jīng)過回轉(zhuǎn)彎中因摩擦阻力引起的壓力降；

ΔPn——流體流經(jīng)管箱進(jìn)出口的壓力降；

Ft——結(jié)構(gòu)校正因素，無因次；

Np——管程數(shù)。

3.3 換熱器總換熱系數(shù)

通過以上模型求得兩側(cè)換熱器系數(shù)后，可通過式(8)求得總換熱系數(shù)k：

式中：

αi——管側(cè)換熱系數(shù)；

αo——?dú)?cè)換熱系數(shù)；

di——換熱管內(nèi)徑；

do——換熱管的外徑；

ri——換熱管內(nèi)結(jié)垢熱阻；

δt——換熱管壁厚；

λt——換熱管材料導(dǎo)熱系數(shù)。

4 仿真平臺(tái)的數(shù)據(jù)文件界面設(shè)計(jì)

開發(fā)螺旋折流板換熱器仿真計(jì)算機(jī)平臺(tái)，需滿足兩點(diǎn)條件：1）程序需準(zhǔn)確、快速地完成熱力計(jì)算中的迭代計(jì)算，適應(yīng)大量運(yùn)算及調(diào)用；2）程序需提供便于用戶輸入、存儲(chǔ)、閱讀的數(shù)據(jù)處理及存儲(chǔ)功能。

本文結(jié)合Fortran和VB各自的特點(diǎn)進(jìn)行仿真平臺(tái)開發(fā)。Fortran語言是一門適合科學(xué)計(jì)算的程序設(shè)計(jì)語言，在工程領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用，適用于底層升序編寫；VB的界面設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)管理等功能十分強(qiáng)大，適用于界面開發(fā)及數(shù)據(jù)處理。本文將二者結(jié)合使用，進(jìn)行Fortran和VB的混合編程，開發(fā)了界面友好的交互式仿真平臺(tái)。利用VB的Shell函數(shù)對(duì)Fortran底層exe程序進(jìn)行直接調(diào)用， 實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)文件的交互共享，如圖6所示。

圖6 數(shù)據(jù)文件的交互共享

5 仿真平臺(tái)的精度驗(yàn)證

本文選取了2臺(tái)實(shí)際投產(chǎn)螺旋折流板換熱器的運(yùn)行數(shù)據(jù)對(duì)仿真平臺(tái)進(jìn)行精度驗(yàn)證，結(jié)果如表2所示。換熱系數(shù)和壓降的誤差均在10%以內(nèi)，滿足仿真計(jì)算的精度要求。

表2 仿真結(jié)果與運(yùn)行數(shù)據(jù)對(duì)比

6 基于仿真平臺(tái)的換熱器殼側(cè)結(jié)構(gòu)對(duì)性能的影響分析

LNG螺旋折流板換熱器性能的影響因素眾多，無法通過大量的實(shí)驗(yàn)獲取這些影響因素的變化規(guī)律。因此，本文通過開發(fā)的仿真平臺(tái)對(duì)影響因素進(jìn)行分析，用于指導(dǎo)實(shí)際換熱器的設(shè)計(jì)。

殼側(cè)結(jié)構(gòu)主要包括螺距、殼體內(nèi)徑、螺旋角。而據(jù)文獻(xiàn)[10]結(jié)果表明，螺旋折流板的螺距和殼體內(nèi)徑，也可以綜合反映在螺旋折流板的螺旋角上。因此，螺旋角是影響螺旋折流板換熱器殼程熱工性能的最重要參數(shù)之一，也是目前研究最多的結(jié)構(gòu)參數(shù)。本文選取換熱器30°布管、以單殼程、單管程的連續(xù)搭接式螺旋折板結(jié)構(gòu)換熱器為例進(jìn)行計(jì)算，以常用的甲烷與乙烷混合工質(zhì)為管程流體，來分析流量、螺旋角、殼體直徑等因素的影響規(guī)律。

6.1 殼程換熱系數(shù)隨流量的變化

由圖7可以看出，螺旋角相同時(shí)，螺旋折流板換熱器的殼程換熱系數(shù)隨著流量的增大而增大。流量相同時(shí)，螺旋折流板式換熱器殼程換熱系數(shù)隨著角度的減小而增大。

圖7 500 mm殼徑下?lián)Q熱系數(shù)隨螺旋角的變化曲線

6.2 單位壓降下殼程換熱系數(shù)隨流量的變化

從圖8可以看出，螺旋角度一定時(shí)，單位壓降下的殼程換熱系數(shù)隨著殼程流量的增加而降低。一定流量下，螺旋角小于23°時(shí)隨著角度的增大單位壓降下的換熱系數(shù)不斷增大；大于23°時(shí)隨著角度的增大單位壓降下的換熱系數(shù)不斷減小?？梢姎綖?00 mm時(shí)最佳螺旋角23°。流量對(duì)最佳螺旋角的大小無明顯影響。

圖8 500 mm殼徑下單位壓降換熱系數(shù)隨螺旋角的變化曲線

6.3 最佳螺旋角隨殼體直徑的變化

圖9中，一定流量下，螺旋角小于19°時(shí)隨著角度的增大單位壓降下的換熱系數(shù)增大；大于19°時(shí)隨著角度的增大單位壓降下的換熱系數(shù)不斷減小?？梢姎綖?00 mm時(shí)最佳螺旋角19°。流量對(duì)最佳螺旋角的大小無明顯影響。

圖9 1,000 mm殼徑下單位壓降換熱系數(shù)隨螺旋角的變化曲線

用同樣的方法計(jì)算了殼徑分別為500 mm、600 mm、700 mm、800 mm、900 mm、1,000 mm的螺旋折流板式換熱器，發(fā)現(xiàn)均有此規(guī)律，其各自對(duì)應(yīng)的螺旋角見表3，隨著殼徑的增大，最佳螺旋角有下降趨勢(shì)。

表3 不同殼徑的最佳螺旋角

7 結(jié)論

本文通過建立螺旋折流板管殼式換熱器殼側(cè)和管側(cè)流動(dòng)冷凝模型，基于分段參數(shù)法，開發(fā)了螺旋折流板換熱器仿真平臺(tái)，并基于該平臺(tái)分析了結(jié)構(gòu)對(duì)流動(dòng)冷凝特性的影響，所得結(jié)論如下：

1）基于分段參數(shù)模型的螺旋折流板換熱器熱力設(shè)計(jì)方法適用于螺旋折流板管殼式換熱器的設(shè)計(jì)及校核計(jì)算；

2）使用結(jié)構(gòu)影響因子和兩相因子修正的殼側(cè)流動(dòng)換熱模型，能夠?qū)崿F(xiàn)LNG混合介質(zhì)殼側(cè)流動(dòng)冷凝仿真計(jì)算；

3）基于仿真平臺(tái)分析得到設(shè)定工況下，最佳螺旋角分布在22°附近，且隨著殼徑的增大有下降趨勢(shì)；流量對(duì)最佳螺旋角無明顯影響。

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Simulation Platform Development and Influence Factor Analysis for Flow Condensation Characteristics of LNG Mixture in Shell-tube Heat Exchanger with Helical Baffles

HUANG Qing-nan*1, CHEN Jie2, YANG Wen-gang2, LUO Ting-ting2, DING Guo-liang1, HU Hai-tao1
(1-Institute of Refrigeration and Cryogenics, Shanghai Jiao Tong University, Shanghai 200240, China; 2-R&D Center, CNOOC Gas & Power Group, Beijing 100028, China)

When the shell-tube heat exchanger with helical baffles is used for cooling mixed hydrocarbons, it may cause the unbalance of condensation and reduce the equipment efficiency. But due to huge volume and energy consumption of the heat exchanger, it is difficult to study the performance rule by a large number of experimental tests. In order to understand the flow condensation characteristics of LNG mixture in the shell side, a simulation model of the seawater heat exchanger with helical baffles is developed in this paper. The heat and mass transfer and the change of the gas fraction along the flow process are considered in the model. And it reflects the influence of the heat exchanger structure, helical baffle parameters, flow process and fluid properties on flowing and heat exchanging. The simulation speed can be guaranteed by segmentation parameters method as well. In addition, the friendly graphic user interface has also been developed in this simulation platform, which makes it convenient for users to input parameters, calculate cases and get simulation results. Based on the simulation platform developed, the structure influence factors of the flow condensation characteristics in shell side are analyzed and recommended value of best helix angle are given.

Seawater heat exchanger; Shell-tube type; Helical baffles; Simulation platform

10.3969/j.issn.2095-4468.2015.06.106

*黃慶楠（1989-），男，碩士研究生。研究方向：管殼式換熱器傳熱與流動(dòng)特性。聯(lián)系地址：上海市閔行區(qū)東川路800號(hào)上海交通大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院，郵編：200240。聯(lián)系電話：021-34205900。E-mail：huangqn@sjtu.edu.cn。