密曉光，陳 杰，鹿來(lái)運(yùn)，張曉慧，常 錚，丁國(guó)良

（1.中海石油氣電集團(tuán)技術(shù)研發(fā)中心，北京 100028；2.上海交通大學(xué)，上海 200240）

0 引言

繞管式換熱器具有換熱效率高、占地面積小、抗垢性好、熱膨脹補(bǔ)償性好、易于實(shí)現(xiàn)大型化等優(yōu)點(diǎn)［1-3］，是大型陸上天然氣液化工廠和大型海上天然氣浮式生產(chǎn)儲(chǔ)卸平臺(tái)（LNG-FPSO）的首選主低溫?fù)Q熱器［4-6］。繞管式換熱器內(nèi)部是多層螺旋管正反螺旋繞制而成的換熱管束。殼側(cè)兩相工質(zhì)在這種多層螺旋結(jié)構(gòu)中從上往下流動(dòng)，液相工質(zhì)濺射遷移至臨近層換熱管。但是由于螺旋結(jié)構(gòu)的影響，工質(zhì)遷移至內(nèi)外層的液體量不同，導(dǎo)致液體在殼側(cè)分布不均勻，降低換熱器整體換熱性能。因此有必要對(duì)繞管換熱器殼側(cè)工質(zhì)的層間質(zhì)量遷移特性進(jìn)行研究。

現(xiàn)有對(duì)繞管式換熱器殼側(cè)兩相工質(zhì)流動(dòng)的研究主要集中于換熱特性和壓降特性兩方面［7-17］，而兩相工質(zhì)在繞管式換熱器殼側(cè)流動(dòng)的質(zhì)量遷移特性目前尚無(wú)公開(kāi)的研究。已有的研究結(jié)果表明，殼側(cè)兩相工質(zhì)的換熱系數(shù)受到干度、熱流密度、質(zhì)流密度、工質(zhì)成分以及幾何參數(shù)等因素的影響［7-12］。繞管換熱器殼側(cè)介質(zhì)的換熱系數(shù)隨干度的增加先增大后減?。?］；隨著熱流密度增大，換熱系數(shù)在低干度工況下是逐漸增大的［8］；且換熱系數(shù)隨質(zhì)流密度的增加逐漸增大［9］；繞管管徑、徑向比、軸向比、纏繞角度等對(duì)換熱也有影響［11］。對(duì)壓降特性的研究表明繞管換熱器殼側(cè)摩擦壓降受質(zhì)流密度、繞管管徑、干度、螺旋結(jié)構(gòu)等因素的影響［13-17］。

本文的目標(biāo)是設(shè)計(jì)繞管換熱器層間質(zhì)量遷移試驗(yàn)臺(tái)，定量測(cè)量繞管換熱器殼側(cè)工質(zhì)的層間遷移率，得到質(zhì)流密度、干度和入口條件對(duì)繞管換熱器殼側(cè)工質(zhì)層間質(zhì)量遷移特性的影響規(guī)律。

1 試驗(yàn)系統(tǒng)

1.1 試驗(yàn)方法

層間遷移率的測(cè)量通過(guò)設(shè)置單通道的均布裝置實(shí)現(xiàn)，測(cè)試原理如圖1所示。

圖1 層間遷移率測(cè)試原理

在繞管換熱器樣件頂部，安裝設(shè)計(jì)成單層通道的均布器裝置，使所有入口的兩相流體噴淋到樣件的單層繞管上。在換熱器內(nèi)部的流動(dòng)過(guò)程中，一部分流體受到湍流和氣流沖擊的影響，會(huì)向鄰近層發(fā)生遷移，使其它層繞管外壁也存在液體流動(dòng)。在換熱器底部，通過(guò)接液裝置將每一層的流體匯集引入分別的容器中。

式中 mj——第j層區(qū)域的流量，kg；

m ——總流量，kg。

其中 i≠ j。

1.2 試驗(yàn)裝置

層間質(zhì)量遷移率測(cè)量試驗(yàn)的原理如圖2所示，模擬實(shí)際繞管換熱器殼側(cè)的兩相流動(dòng)，試驗(yàn)中的殼側(cè)介質(zhì)為空氣和水。空氣和水分別由鼓風(fēng)機(jī)和水泵吸入管路，并分別通過(guò)后置調(diào)節(jié)閥以及旁通調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)流量，管路中安裝有流量計(jì)和止回閥。在管路中混合的空氣和水從上往下流入試驗(yàn)樣件，并從底部流出。從每層流出的水經(jīng)由管道分別引入5個(gè)容器中，用于測(cè)量每一層水的分配量。根據(jù)試驗(yàn)原理圖，設(shè)計(jì)并搭建了試驗(yàn)臺(tái)。

圖2 層間遷移試驗(yàn)原理

1.3 測(cè)試樣件

測(cè)試樣件由上蓋板、均布器、套筒、中心筒、纏繞管和接液盤(pán)組成如圖3所示。測(cè)試樣件的套筒和纏繞管均采用透明材料制作，便于可視化觀測(cè)層間液體遷移現(xiàn)象。纏繞管安裝在套筒內(nèi)，并采用上蓋板與接液盤(pán)夾裝固定密封。

圖3 多層繞管樣件結(jié)構(gòu)

測(cè)試樣件的管徑、管間距和層間距的選擇是參照實(shí)際常用的繞管式換熱器的參數(shù)。測(cè)試樣件具體尺寸參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 試驗(yàn)樣件尺寸

1.4 試驗(yàn)工況

為了模擬實(shí)際工況下兩相工質(zhì)在繞管式換熱器殼側(cè)流動(dòng)的質(zhì)量分布規(guī)律，設(shè)計(jì)的試驗(yàn)工況雷諾數(shù)范圍可以覆蓋實(shí)際情況。設(shè)計(jì)的試驗(yàn)工況包括質(zhì)流密度40～250 kg/（m2·s），干度0～0.8，并分別在最內(nèi)層、中間層和最外層3個(gè)入口條件下進(jìn)行測(cè)試，總計(jì)63組工況。為確保試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性，每組工況重復(fù)3次，取平均值作為最終結(jié)果。

表2 試驗(yàn)工況

2 數(shù)據(jù)處理及誤差分析

2.1 數(shù)據(jù)處理

試驗(yàn)開(kāi)始前，先稱量各盛液容器的初始重量，分別記為 m01，m02，m03，m04和 m05；試驗(yàn)結(jié)束（經(jīng)過(guò)時(shí)間t）后，再次稱量各個(gè)容器的重量，分別記為mt1，mt2，mt3，mt4和 mt5。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果即可得到每層繞管最終的分配量mi，如下式所示：

若工質(zhì)從第j層繞管上方入口進(jìn)入樣件，則第j層繞管對(duì)應(yīng)接液槽中水的比例稱為分配率，而其他4層繞管對(duì)應(yīng)接液槽中的水的比例稱為遷移率。每層繞管的遷移率Ri如下式所示：

在實(shí)際的試驗(yàn)過(guò)程中，氣體流量無(wú)法做到與設(shè)計(jì)的試驗(yàn)工況值一模一樣，因此氣路流量以實(shí)際工況下從氣體流量計(jì)中讀取到的數(shù)據(jù)為準(zhǔn)，記為Qg。由于試驗(yàn)過(guò)程中水流量計(jì)讀取的是整個(gè)試驗(yàn)臺(tái)中水的流量情況，在試驗(yàn)結(jié)束后會(huì)有少部分水殘留在管路中，實(shí)際參與試驗(yàn)的有效水量為試驗(yàn)結(jié)束后通過(guò)接液底盤(pán)轉(zhuǎn)移到盛液容器中的部分，因此水路流量不能按照水路流量計(jì)中的流量進(jìn)行讀取，需通過(guò)計(jì)算得到，記為Ql，如下式所示。

實(shí)際干度x通過(guò)計(jì)算得到，如下式所示：

式中 ρg——空氣密度，kg/m3；

ρl——水的密度，kg/m3；

r ——對(duì)應(yīng)層的纏繞半徑，m；

l ——層間距，m。

2.2 誤差分析

所有試驗(yàn)儀表誤差為：氣體流量計(jì)絕對(duì)為誤差0.5 m3/h，稱量天平絕對(duì)誤差為0.01 kg，管徑最大測(cè)量誤差為0.02 mm，計(jì)時(shí)誤差0.1 s。根據(jù)Moff at的誤差傳遞分析方法［18］，計(jì)算得到實(shí)際質(zhì)流密度和繞管層間遷移率的最大相對(duì)誤差分別為8.1%和6.9%。

3 試驗(yàn)結(jié)果與討論

3.1 質(zhì)流密度對(duì)層間遷移率的影響

圖4示出干度為0，入口為中間層時(shí)，總層間遷移率隨質(zhì)流密度的變化。試驗(yàn)結(jié)果表明，隨著質(zhì)流密度的增加，總層間遷移率先增大后減小。在低質(zhì)流密度范圍 40～120 kg/（m2·s）內(nèi)，隨著質(zhì)流密度的增加，總層間遷移率從58%增加至75.6%；在高質(zhì)流密度范圍120～215 kg/（m2·s）內(nèi)，隨著質(zhì)流密度的增加，遷移率從75.6%下降到了65.1%。

圖4 總的層間遷移率隨質(zhì)流密度的變化

該現(xiàn)象的原因可能是：在較低質(zhì)流密度工況下，隨著質(zhì)流密度的增加，水流速增大，滴狀流沿螺旋繞管下落時(shí)受離心力的作用徑向速度增大，總層間遷移率增大；當(dāng)質(zhì)流密度繼續(xù)增大時(shí)，液相水流動(dòng)狀態(tài)為降膜流，水向下的流速較快，向其他層管遷移的比例減小，總層間遷移率減小。

圖5示出入口條件為中間層、干度0時(shí)各層繞管區(qū)域的層間遷移率隨質(zhì)流密度的變化，其中圖5（a）中虛線為內(nèi)層區(qū)域的總遷移率，圖5（b）中虛線為外層區(qū)域的總遷移率。不同層的層間遷移率試驗(yàn)結(jié)果表明，隨質(zhì)流密度的增大，內(nèi)層的遷移率先減小后增大，外層遷移率先增大后減小。外層的遷移率（第4和第5層的遷移率之和）比內(nèi)層的遷移率（第1和第2層的遷移率之和）大14.0%～65.4%。原因可能是水沿螺旋繞管下落時(shí)有延徑向的速度，產(chǎn)生的離心力使水傾向于往外側(cè)遷移。

圖5 不同層的遷移率隨質(zhì)流密度的變化

3.2 干度對(duì)層間遷移率的影響

入口為中間層、質(zhì)流密度60 kg/（m2·s）工況下，總的層間遷移率隨干度的變化如圖6所示。

圖6 總的層間遷移率隨干度的變化

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，可以發(fā)現(xiàn)隨著干度的增大，總層間遷移率先增大后減小。當(dāng)干度從0增大到0.4，總層間遷移率從67.0%增大到71.1%；當(dāng)干度從0.4增大到0.8，第3層繞管區(qū)域水的分配率從71.1%減小到58.3%。對(duì)產(chǎn)生該現(xiàn)象的原因可能是不同干度工下氣流對(duì)液相工質(zhì)的擾動(dòng)有差異。

圖7示出入口條件為中間層、干度0時(shí)各層繞管區(qū)域的層間遷移率隨干度的變化，其中圖7（a）中虛線為內(nèi)層區(qū)域的總遷移率，圖7（b）中虛線為外層區(qū)域的總遷移率?？梢园l(fā)現(xiàn)隨著干度的增加，第1層繞管區(qū)域的層間質(zhì)量遷移率先減小后增加，第2層繞管區(qū)域?qū)娱g遷移率逐漸增大，第4層繞管區(qū)域?qū)娱g遷移率逐漸減小，第5層繞管區(qū)域?qū)娱g遷移率先增大后減小。其中內(nèi)層繞管區(qū)域的總遷移率逐漸增大，而外層繞管區(qū)域的總遷移率逐漸減小。當(dāng)干度從0增加到0.8，內(nèi)層的總遷移率增加了113.4%，而外層的總遷移率減少了69.2%。這表明隨著干度的增加，液相水向外層管區(qū)域遷移量減少，向內(nèi)層遷移量增加。

圖7 不同層的遷移率隨干度的變化

3.3 入口條件對(duì)層間遷移率的影響

圖8示出在干度為0工況下，入口分別為最內(nèi)層和最外層時(shí)不同質(zhì)流密度下的總質(zhì)量遷移率。

圖8 不同入口條件下總的總的遷移率

從圖中可以看出，工質(zhì)從最內(nèi)層入口進(jìn)入繞管樣件時(shí)，隨著質(zhì)流密度的增大，總的層間遷移率逐漸增大。當(dāng)質(zhì)流密度從40 kg/（m2·s）增大到200 kg/（m2·s）時(shí)，總層間遷移率從33.9%增大到67.7%。而對(duì)于從最外層入口流入繞管樣件的工質(zhì)，隨著質(zhì)流密度的增大，層間遷移率總體上逐漸減小并趨于平緩。例如，當(dāng)質(zhì)流密度從40 kg/（m2·s）增大到200 kg/（m2·s）時(shí)，總層間遷移率從57.2%減小到19.5%。由此可得出結(jié)論，隨著質(zhì)流密度的增大，水逐漸趨向于向外側(cè)繞管遷移；且在較低質(zhì)流密度工況下從最內(nèi)層入口進(jìn)入的工質(zhì)總層間遷移率小于從最外層入口進(jìn)入的總層間遷移率。出現(xiàn)該現(xiàn)象的原因可能是繞管具有一定的螺旋升角，導(dǎo)致殼側(cè)液相工質(zhì)流動(dòng)過(guò)程中由于離心力的作用更容易向外側(cè)遷移。

4 結(jié)論

（1）隨著質(zhì)流密度的增加，總層間遷移率先增大后減小，其中內(nèi)層遷移率先減小后增大，外層遷移率先增大后減小。試驗(yàn)工況下，外層的遷移率比內(nèi)層的遷移率大14.0%～65.4%。

（2）工質(zhì)從中間層流入時(shí)，隨著干度的增加，總層間遷移率先增大后減小，且向外層繞管遷移的遷移率減小，向內(nèi)層繞管遷移的遷移率增大，干度0.4時(shí)總遷移率最大為71.1%。

（3）工質(zhì)從不同層入口流入時(shí)繞管的層間質(zhì)量遷移特性不同。當(dāng)工質(zhì)從最外層流入時(shí)，隨著質(zhì)流密度的增加，遷移到其他層的水的比例逐漸減??；工質(zhì)從最內(nèi)層流入時(shí)，隨著質(zhì)流密度的增加，遷移到其他層的水的比例逐漸增加。