李豐志，于佳文，鹿來運(yùn)，姜益強(qiáng)，蔡偉華，陳 明，浦 暉

(1.哈爾濱工業(yè)大學(xué) 市政環(huán)境工程學(xué)院，哈爾濱150090；2.中海石油氣電集團(tuán)有限責(zé)任公司，北京100028)

LNG繞管式換熱器管側(cè)流動(dòng)與傳熱實(shí)驗(yàn)臺(tái)設(shè)計(jì)及驗(yàn)證

李豐志1，于佳文1，鹿來運(yùn)2，姜益強(qiáng)1，蔡偉華1，陳 明1，浦 暉2

(1.哈爾濱工業(yè)大學(xué) 市政環(huán)境工程學(xué)院，哈爾濱150090；2.中海石油氣電集團(tuán)有限責(zé)任公司，北京100028)

繞管式換熱器是天然氣液化的核心設(shè)備，然而目前中國天然氣液化用大型繞管式換熱器的實(shí)驗(yàn)研究比較薄弱，相關(guān)設(shè)計(jì)工作的指導(dǎo)理論還不完善.為研究液化天然氣(LNG)繞管式換熱器管側(cè)流動(dòng)與傳熱特性，提出一種可以模擬LNG繞管式換熱器實(shí)際運(yùn)行工況的實(shí)驗(yàn)方法，并完成實(shí)驗(yàn)臺(tái)的設(shè)計(jì)、搭建及調(diào)試工作.為保證實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，以液相丙烷為實(shí)驗(yàn)介質(zhì)，對其在不同工況下的傳熱系數(shù)進(jìn)行實(shí)測，并將實(shí)驗(yàn)所得傳熱系數(shù)與在相同工況下由經(jīng)典的管內(nèi)傳熱關(guān)聯(lián)式計(jì)算所得傳熱系數(shù)進(jìn)行對比.結(jié)果表明：實(shí)驗(yàn)臺(tái)可以穩(wěn)定工作，實(shí)驗(yàn)工況可以達(dá)到LNG繞管式換熱器的實(shí)際運(yùn)行工況，實(shí)驗(yàn)測試值與相同工況下的關(guān)聯(lián)式計(jì)算值偏差在±10%以內(nèi).說明實(shí)驗(yàn)臺(tái)精度較高，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可靠，為LNG繞管式換熱器管側(cè)冷凝流動(dòng)與傳熱特性的深入研究奠定了實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ).

液化天然氣繞管式換熱器；管側(cè)；實(shí)驗(yàn)臺(tái)；設(shè)計(jì)；驗(yàn)證

氣態(tài)天然氣具有儲(chǔ)存及運(yùn)輸困難、密度小、臨界溫度遠(yuǎn)低于常溫等缺點(diǎn).為便于儲(chǔ)存運(yùn)輸，必須對其深冷液化[1].液化天然氣(liquefied natural gas，LNG)具有安全、清潔、適合長距離運(yùn)輸?shù)葍?yōu)點(diǎn)，是可直接應(yīng)用的理想能源[2].繞管式換熱器是天然氣液化的核心設(shè)備[3]，具有結(jié)構(gòu)緊湊、換熱系數(shù)高、傳熱溫差小等特點(diǎn)[4-6]，主要用于大型陸上天然氣液化工廠和大型液化天然氣浮式生產(chǎn)儲(chǔ)卸裝置(liquefied natural gas-floating production storage and offloading，LNG-FPSO).繞管式換熱器在大型天然氣液化工藝中的使用率已超過90%[7]，且換熱器的造價(jià)占液化系統(tǒng)總造價(jià)的10%左右[8].然而目前中國天然氣液化用大型繞管式換熱器的設(shè)計(jì)和制造技術(shù)仍相對薄弱，全球90%以上的大型LNG繞管式換熱器的設(shè)計(jì)和制造技術(shù)均被美國APCI和德國Linde公司壟斷.LNG繞管式換熱器的國產(chǎn)化勢在必行，而其內(nèi)部流動(dòng)與傳熱機(jī)理的研究是國產(chǎn)化的前提和基礎(chǔ).

LNG繞管式換熱器換熱管為螺旋上升管，螺旋管是一種特殊的傳熱強(qiáng)化管，結(jié)構(gòu)緊湊，加工方便，污垢熱阻小，在天然氣液化及其他低溫制冷領(lǐng)域均有廣泛應(yīng)用[9].管側(cè)研究內(nèi)容主要包括混合冷劑在螺旋管中的傳熱特性、壓降特性以及流型的轉(zhuǎn)換特性.由于具有高壓、低溫、相變、多元流動(dòng)等特點(diǎn)，實(shí)驗(yàn)工況比較復(fù)雜，目前針對LNG繞管式換熱器管側(cè)的實(shí)驗(yàn)研究較少.Neeraas[10]曾針對管側(cè)開展實(shí)驗(yàn)研究，螺旋管管內(nèi)徑為14 mm，曲率直徑為2 m，傾斜角為10°；實(shí)驗(yàn)介質(zhì)有丙烷、R22、丙烷、乙烷摩爾比為1∶1,丙烷、甲烷摩爾比為92/8～95.5/4.5；流量范圍150～400 kg/(m2·s)，壓力范圍1.2～4 MPa，但實(shí)驗(yàn)工況與實(shí)際工況仍存在一定差距.邵莉等[11]完成了R134a在水平直管和螺旋管內(nèi)冷凝換熱的實(shí)驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)R134a在螺旋管內(nèi)的冷凝換熱系數(shù)較直管大4%～13. 8%.Boyko等[12-13]在實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析的基礎(chǔ)上采用類比分析的方法得到了冷凝換熱關(guān)聯(lián)式，該式是在一定假設(shè)基礎(chǔ)上推導(dǎo)來的，沒有引入任何經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，因此適用范圍較廣得到了廣泛應(yīng)用.鄭水華等[14]以空氣和水為工質(zhì)開展了螺旋管內(nèi)氣液兩相流阻力特性實(shí)驗(yàn)研究，得到了螺旋管內(nèi)氣液兩相流動(dòng)摩擦阻力系數(shù)關(guān)系式，并在此基礎(chǔ)上建立兩相摩擦阻力的計(jì)算公式.李廣軍等[15]進(jìn)行了螺旋管內(nèi)油水液液兩相流流型的實(shí)驗(yàn)研究，給出了螺旋管內(nèi)液液兩相流的流型圖.上述研究取得了一定成果，但未能反映實(shí)際的LNG繞管式換熱器運(yùn)行工況，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)結(jié)果偏差較大，并不能直接指導(dǎo)LNG繞管式換熱器設(shè)計(jì)計(jì)算.因此，提出了一種可以模擬LNG繞管式換熱器實(shí)際運(yùn)行工況的實(shí)驗(yàn)方法，設(shè)計(jì)并搭建了實(shí)驗(yàn)臺(tái)，并對其精度進(jìn)行校驗(yàn)，為下一步LNG繞管式換熱器流動(dòng)與傳熱規(guī)律的研究奠定了實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ).

1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)原理

LNG繞管式換熱器管側(cè)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)包括3部分：測量循環(huán)系統(tǒng)、冷卻循環(huán)系統(tǒng)和外部冷源系統(tǒng).實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)原理見圖1，相關(guān)設(shè)備名稱見表1.

圖1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)原理Fig.1 Schematic diagram of the experimental system

表1 主要設(shè)備Tab.1 Major equipment

測量循環(huán)系統(tǒng)：過冷的循環(huán)工質(zhì)經(jīng)過循環(huán)泵P1后進(jìn)入加熱器H1，通過調(diào)節(jié)加熱器加熱功率可以控制循環(huán)工質(zhì)的蒸發(fā)量從而控制測試樣件入口的干度.加熱器出口循環(huán)工質(zhì)為氣液兩相，由于氣相和液相溫度存在差異，會(huì)導(dǎo)致流體溫度測量不準(zhǔn)確，因此，在測量氣液兩相流溫度時(shí)需要先經(jīng)過攪拌使氣液溫度達(dá)到平衡.攪拌后循環(huán)工質(zhì)原有的流型被破壞，通過流型發(fā)展段使流型重建，流型重建完成后進(jìn)入流型觀察窗S1，然后進(jìn)入測試樣件.在測試樣件內(nèi)循環(huán)工質(zhì)被部分冷凝.循環(huán)工質(zhì)經(jīng)過測試樣件后進(jìn)入流型觀察窗S2，如果流型觀察窗S1和S2顯示的為同一流型則可以認(rèn)為測試樣件內(nèi)也保持為該種流型.循環(huán)工質(zhì)經(jīng)過流型觀察窗S2后進(jìn)入液氮換熱器E1和E2，兩相流被冷卻為過冷液體，然后進(jìn)入循環(huán)泵，完成循環(huán).

由于目前針對單相流動(dòng)的研究已經(jīng)比較成熟，本實(shí)驗(yàn)的主要研究對象為氣液兩相區(qū)，在測量循環(huán)系統(tǒng)中，流量的調(diào)節(jié)主要通過循環(huán)泵P1的變頻以及旁通實(shí)現(xiàn)；壓力的調(diào)節(jié)主要通過調(diào)節(jié)閥門V實(shí)現(xiàn)；干度的調(diào)節(jié)主要通過加熱器H1調(diào)節(jié)加熱功率實(shí)現(xiàn).通過系統(tǒng)的調(diào)節(jié)達(dá)到不同的工況要求.

冷卻循環(huán)系統(tǒng)：冷卻循環(huán)內(nèi)的循環(huán)工質(zhì)為異丁烷，在整個(gè)系統(tǒng)中異丁烷始終保持為液相.過冷的異丁烷進(jìn)入測試樣件用來冷卻測量循環(huán)系統(tǒng)中的循環(huán)工質(zhì).異丁烷在進(jìn)入測試樣件前先通過加熱器H2調(diào)節(jié)其溫度以保證異丁烷溫度滿足要求.在冷卻循環(huán)系統(tǒng)中制冷機(jī)R為系統(tǒng)提供冷量，制冷機(jī)可提供的最低溫度為-140 ℃，控溫精度為0.1 ℃.冷卻循環(huán)對測試樣件管外溫度的控制保證了測量循環(huán)系統(tǒng)中流型觀察窗S1、S2中顯示的為同一流型.

外部冷源系統(tǒng)：外冷源為液氮.測量循環(huán)系統(tǒng)中循環(huán)工質(zhì)經(jīng)過測試樣件后為氣液兩相，為了保證循環(huán)泵P1入口循環(huán)工質(zhì)為液相，必須為其提供大量的冷量.液氮儲(chǔ)存在自增壓的液氮罐中，通過流量調(diào)節(jié)閥的調(diào)節(jié)控制液氮進(jìn)入換熱器E1和E2的流量，為循環(huán)工質(zhì)提供冷量，將其過冷.

2 實(shí)驗(yàn)裝置

為了保證LNG繞管式換熱器換熱管側(cè)流動(dòng)與傳熱規(guī)律測試數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，提高實(shí)驗(yàn)的精度，本實(shí)驗(yàn)臺(tái)在測點(diǎn)布置及參數(shù)采集等方面都提出了特殊的要求.

2.1 測點(diǎn)布置

實(shí)驗(yàn)中T1～T6為壁溫的測點(diǎn)，T7～T15為流體溫度的測點(diǎn).對于測試樣件T1～T6完成了管壁溫的測量，T7、T8完成了流體溫度的測量.測點(diǎn)T1～T6的布置是本實(shí)驗(yàn)的難點(diǎn).

測試樣件是一段紫銅套管，纏繞角為10°，內(nèi)管外徑為14 mm，壁厚為2 mm，承壓4 MPa；外管外徑為32 mm，壁厚為1 mm，承壓1 MPa.測試樣件采用套管式換熱結(jié)構(gòu)，內(nèi)管走測試循環(huán)工質(zhì)(混合冷劑)，外管走低溫冷卻介質(zhì)(異丁烷)，循環(huán)工質(zhì)從下往上流動(dòng)，冷卻介質(zhì)從上往下流動(dòng)形成逆流換熱.為了使測試樣件內(nèi)流型發(fā)展充分，在循環(huán)工質(zhì)進(jìn)入測試樣件之前需要加一段流型發(fā)展段，本實(shí)驗(yàn)的流型發(fā)展段為與螺旋管入口相切的1 m長傾斜直管.為了觀察流型，在流型發(fā)展段和測量段之間加了一段流型觀察窗S1，觀察窗采用雙層真空石英玻璃制造，承壓高，保溫性好，確保在觀察流型時(shí)不產(chǎn)生附加熱流.為了保證測試樣件內(nèi)為某一確定流型，除了在入口處觀察外，在出口處也需要觀察流型，如果二者為同一流型則可以認(rèn)為管內(nèi)工質(zhì)在確定流型下冷凝；為此，在出口處也添加了一段與螺旋管出口相切的流型觀察窗S1.

為了準(zhǔn)確測量測試樣件內(nèi)管的壁溫，在測試樣件的中間及出口位置設(shè)置溫度測點(diǎn)，每個(gè)測點(diǎn)有3個(gè)溫度傳感器，在圓管截面上均勻布置，每120°一個(gè).3個(gè)測量值的平均值為該點(diǎn)的內(nèi)管壁溫，傳感器布置見圖2.

1—傳感器接頭; 2—螺母; 3—銅套管; 4—溫度傳感器; 5—測試樣件內(nèi)管外壁

圖2 溫度傳感器布置

Fig.2 Layout of temperature sensor

2.2 測試數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

實(shí)驗(yàn)測試數(shù)據(jù)由PLC完成采集，主機(jī)型號(hào)為CPU224XP，同時(shí)連接EM231模塊，可以實(shí)現(xiàn)多組模擬量數(shù)字量的采集.需要測試的實(shí)驗(yàn)參數(shù)有溫度、壓力、壓差和流量等，分別由鉑電阻(Pt100)溫度傳感器、壓力傳感器、壓差傳感器以及質(zhì)量流量計(jì)測試完成.所選傳感器的性能參數(shù)如表2所示.

本實(shí)驗(yàn)主要的測試參數(shù)為溫度，溫度測試值直接參與數(shù)據(jù)計(jì)算并影響最后的實(shí)驗(yàn)結(jié)果.溫度傳感器的精度已經(jīng)給出，但在信號(hào)傳輸過程中仍會(huì)有誤差產(chǎn)生，為了消除這部分誤差帶來的影響，對與溫度傳感器連接的15路信號(hào)傳遞線路進(jìn)行了精度校核.

表2 傳感器性能參數(shù)Tab.2 Parameters of sensor

為了準(zhǔn)確校核傳遞線路帶來的誤差，選用標(biāo)準(zhǔn)電阻箱代替溫度傳感器連接在信號(hào)線上.根據(jù)Pt100分度值[16]，調(diào)節(jié)電阻箱阻值，通過讀取計(jì)算機(jī)顯示的溫度值直接校核傳遞線路的誤差，具體檢測結(jié)果見表3.

表3 傳遞線路誤差分析Tab.3 Error analysis of route ℃

傳遞線路為溫度測試系統(tǒng)帶來系統(tǒng)誤差，最大誤差為1.40 ℃，最小為0 ℃.根據(jù)多次校核結(jié)果，對溫度傳感器傳遞線路進(jìn)行數(shù)據(jù)修正，保證了實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性.

3 實(shí)驗(yàn)臺(tái)精度驗(yàn)證

實(shí)驗(yàn)臺(tái)的運(yùn)行情況對實(shí)驗(yàn)結(jié)果影響很大，在進(jìn)行正式實(shí)驗(yàn)之前需要對實(shí)驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行精度驗(yàn)證.精度驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)選用丙烷作為測量循環(huán)系統(tǒng)循環(huán)工質(zhì)，分別在不同流量、壓力下進(jìn)行實(shí)驗(yàn).計(jì)算并分析丙烷在不同工況下的傳熱系數(shù)，將實(shí)驗(yàn)所得傳熱系數(shù)與在相同工況下由經(jīng)典的管內(nèi)傳熱關(guān)聯(lián)式計(jì)算所得傳熱系數(shù)進(jìn)行對比，校核實(shí)驗(yàn)臺(tái)的精度，為后續(xù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性提供保障.

目前，單相流動(dòng)和換熱的理論相對成熟，已經(jīng)有公認(rèn)的較為普遍適用的關(guān)聯(lián)式，計(jì)算所得的結(jié)果也較準(zhǔn)確，本實(shí)驗(yàn)選用的對比關(guān)聯(lián)式為Dittus-Boelter關(guān)聯(lián)式、Gnielinski關(guān)聯(lián)式以及 Mikhejew關(guān)聯(lián)式.

Dittus-Boelter關(guān)聯(lián)式[17]具體形式為

(1)

Gnielinski關(guān)聯(lián)式[18]具體形式為

當(dāng) 0.5

(2)

當(dāng)1.5

(3)

Mikhejew關(guān)聯(lián)式[19]具體形式為

(4)

式中:Nu為丙烷的努謝爾特?cái)?shù)；Re為丙烷的雷諾數(shù)；Pr為丙烷的普朗特?cái)?shù)；Prw表示丙烷溫度為壁溫時(shí)的普朗特?cái)?shù)；d為螺旋管的內(nèi)徑，m；R為螺旋管的曲率半徑，m.

傳熱系數(shù)計(jì)算公式為

(5)

式中：h為丙烷的傳熱系數(shù)，W/(m2·K)；λ為丙烷的導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·K).

實(shí)驗(yàn)中選取的工況見表4，實(shí)驗(yàn)測試值與關(guān)聯(lián)式計(jì)算值偏差見圖3.可以看出，實(shí)驗(yàn)測試值與關(guān)聯(lián)式計(jì)算值相比偏差在±10%以內(nèi)，實(shí)驗(yàn)臺(tái)精度較高，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可靠.

表4 實(shí)驗(yàn)工況Tab.4 Experimental condition

圖3 實(shí)驗(yàn)偏差分布Fig.3 Distribution of experimental deviation

4 結(jié) 論

在對LNG繞管式換熱器的流動(dòng)和傳熱機(jī)理的研究的目的在于獲得足夠精度的關(guān)聯(lián)式，以指導(dǎo)換熱器的設(shè)計(jì)選型，因而保證實(shí)驗(yàn)臺(tái)有足夠的精度顯得尤為重要.本實(shí)驗(yàn)主要針對實(shí)驗(yàn)臺(tái)的精度進(jìn)行了相關(guān)研究.本文完成了LNG繞管式換熱器管側(cè)實(shí)驗(yàn)臺(tái)的流程設(shè)計(jì)以及搭建等工作.并以丙烷為介質(zhì)，通過實(shí)驗(yàn)對實(shí)驗(yàn)臺(tái)精度進(jìn)行了驗(yàn)證，實(shí)驗(yàn)臺(tái)誤差小于±10%，完全可以實(shí)現(xiàn)LNG繞管式換熱器實(shí)際運(yùn)行時(shí)管側(cè)的運(yùn)行工況，從而為LNG繞管式換熱器管側(cè)冷凝流動(dòng)與傳熱特性的深入研究，提供了可信的實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)，對我國大型繞管式換熱器設(shè)計(jì)理論的形成有著重要的實(shí)際意義.

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Design and verification for tube-side flow and heat transfer test-rig of coil-wound LNG heat exchangers

LI Fengzhi1,YU Jiawen1,LU Laiyun2,JIANG Yiqiang1,CAI Weihua1,CHEN Ming1,PU Hui2

(1.School of Municipal and Environmental Engineering, Harbin Institute of Technology, Harbin 150090, China;2.China National Offshore Oil Corporation Gas & Power Group, Beijing 100028, China)

Coil-wound heat exchangers are the core equipment for liquefaction of natural gas, however, the experimental research on large-scale coil-wound liquefied natural gas (LNG) heat exchangers is relatively weak and the design theory is also imperfect in China. In order to obtain the characters of flow and heat transfer at the tube side of coil-wound LNG heat exchangers, a new experimental method which can simulate the actual coil-wound LNG heat exchangers operation conditions was presented, and then the corresponding test-rig was designed, developed and debugged. For guaranteeing the accuracy of the experimental data, the test-rig was verified by using liquid propane as experiment medium. The tested heat transfer coefficients of propane under different experimental conditions were compared with those from the classic tube heat transfer correlations in the same experimental conditions. It is concluded that the experimental conditions can meet the actual coil-wound LNG heat exchangers operation conditions, and the test-rig can operate stably. The deviation between the tested values and the predicted values is less than ±10%. So the accuracy of the test-rig is high and the experimental data are credible. The test-rig provides an experimental basis for comprehensive research on flow and heat transfer under the actual conditions for large-scale coil-wound heat exchangers.

coil-wound liquefied natural gas (LNG) heat exchanger; tube-side; test-rig; design; verification

10.11918/j.issn.0367-6234.2017.02.016

2016-07-20

工信部大型LNG繞管式換熱器研制項(xiàng)目(工信部聯(lián)裝[2013]418號(hào))

李豐志(1991—)，男，博士研究生； 姜益強(qiáng)(1973—)，男，教授，博士生導(dǎo)師

姜益強(qiáng)，jyq7245@sina.com

TE64

A

0367-6234(2017)02-0098-05