劉長海 楊 博 張瑩光

（1.東北石油大學(xué)機械科學(xué)與工程學(xué)院；2.中國石油大慶石化公司塑料廠）

再沸器（也稱為重沸器）是換熱器中的一種典型設(shè)備，在實際生產(chǎn)中廣泛應(yīng)用于能源、化工及石油等領(lǐng)域［1，2］。 作為 一種常用的化工生產(chǎn) 設(shè)備，在實際生產(chǎn)中常安裝于蒸餾塔塔底，用于汽化塔底產(chǎn)物， 殼程沸騰傳熱是其主要工作原理。沸騰傳熱是一種帶有相變的對流傳熱［3，4］，熱量傳遞主要通過汽泡的生成、長大和脫離壁面逐漸實現(xiàn)，因具有熱通量高與溫度差較小的特點被廣泛應(yīng)用于動力、熱能、化工、冶金及制冷等各種工業(yè)生產(chǎn)中［5，6］。

當前，隨著實際工程對生產(chǎn)設(shè)備需求的不斷提高，大型化、臨界化、高溫化和高壓化成為生產(chǎn)設(shè)備一個新的發(fā)展方向［7］。在傳熱學(xué)研究中，殼程沸騰傳熱既是一個傳統(tǒng)的經(jīng)典課題［8］，也是國內(nèi)外正在研究的前沿課題。 隨著研究的持續(xù)深入與不斷完善，必將為國民經(jīng)濟建設(shè)帶來巨大的經(jīng)濟與社會效益［9］。

隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，數(shù)值模擬已成為計算流體力學(xué)、計算傳熱學(xué)的常用研究方法［10］。 采用數(shù)值模擬方法對管殼式換熱器殼程傳熱、流場的分析已經(jīng)得到應(yīng)用，并取得一定的經(jīng)濟效益［11］。 目前主要采用兩相流沸騰模型對管殼式換熱器進行沸騰傳熱的數(shù)值模擬，在計算過程中首先簡化幾何模型，然后根據(jù)實驗數(shù)據(jù)選取合適的邊界條件、與實驗現(xiàn)象相近的湍流模型和計算方法在Fluent中進行沸騰傳熱模擬。 通過閱讀相關(guān)文獻發(fā)現(xiàn)，目前，對殼程沸騰傳熱數(shù)值模擬的研究成果大多針對管殼式換熱器，尤其是固定管板式換熱器，對不同類型再沸器的殼程沸騰傳熱的研究相對較少。 因此，筆者利用RPI壁面沸騰模型對再沸器單根換熱管外圍殼程流場的沸騰傳熱進行模擬，分析不同邊界條件對體積含氣率與沸騰傳熱系數(shù)的影響。

1 計算模型的選擇

在同一流動系統(tǒng)中有兩種相態(tài)的物質(zhì)共同存在，且其中至少一種相態(tài)的物質(zhì)是流體構(gòu)成的流動系統(tǒng)，稱之為兩相流。 隨著兩相物質(zhì)流動的不斷變化， 氣液兩相物質(zhì)的分布也在不斷變化，兩相流動的復(fù)雜性和隨機性導(dǎo)致氣液兩相的相分界面形狀也不斷發(fā)生變化，因此，對兩相流動的描述很難用精確的方程來表達，而目前常用的流體分析軟件Fluent中有一些方法可以用來處理兩相流。 筆者所述的再沸器中兩種相態(tài)的物質(zhì)分別為水蒸氣和液態(tài)水， 是一種典型的兩相流動?？紤]到流動過程中兩相物質(zhì)的混合特點和所選模型的計算難度、計算精度，決定采用Fluent中處理兩相流的歐拉模型來描述再沸器中的實際流動情況，同時保證計算結(jié)果的準確性。

歐拉模型模擬精度高、運算量大，可以用來描述氣相、液相及固相等不同相態(tài)、不同組合的兩相甚至多相流動。 根據(jù)實際計算機硬件條件，筆者選擇建立長2m， 規(guī)格為φ19mm×2mm的單根換熱管外圍殼程流體模型進行模擬計算。 換熱管排列方式選擇常用的正三角形排列， 管間距取25mm， 計 算 模 型 如 圖1 所 示。 利 用ANSYS 在Workbench 模擬仿真環(huán)境中的網(wǎng)格劃分工具Meshing，采用六面體結(jié)構(gòu)網(wǎng)格對換熱管幾何模型進行網(wǎng)格劃分。

圖1 計算模型結(jié)構(gòu)

在實際工程中，最具普遍性的流動形式是湍流，多相流中也不例外。用于流場分析計算的CFD軟件（計算流體動力學(xué)）給出了不同的湍流模擬方法，筆者選用計算精度較高的RNG k-ε模型；沸騰模型選用RPI壁面沸騰模型；同時選用Ishii模型［12］來描述沸騰狀態(tài)下相間的相互作用。

RPI模型［13］將加熱壁面?zhèn)鬟f給流體的熱通量qw分為蒸發(fā)傳熱通量qE、 液相對流傳熱通量qc和在汽泡脫離處由于液體沖擊壁面引起的激冷傳熱通量qQ，它們之間的關(guān)系為：

2 邊界條件設(shè)置

2.1 介質(zhì)參數(shù)

與大多數(shù)有機物、 鹽類的水解溶液相比，在相同的壓力和溫差條件下，水的傳熱系數(shù)要大很多，氣液兩相的相變效果在同等條件下也會更加明顯。 因此，筆者在計算時選用單組分液態(tài)水和高溫飽和水蒸氣作為氣液兩相物質(zhì)；在模擬計算過程中，將飽和水蒸氣溫度設(shè)置為該蒸汽在飽和壓力下的飽和溫度；在兩相流過程當中，設(shè)置第1相物質(zhì)為液態(tài)水，第2相物質(zhì)為水蒸氣。 給定溫度下，液態(tài)水的物理性質(zhì)參照表1，使用線性插值法計算不同溫度下液態(tài)水的物性參數(shù)； 溫度為473.15K時， 水蒸氣的物理性質(zhì)為密度7.86kg/m3、比熱容2 989.5J/（kg·K）、熱導(dǎo)率0.038 4W/（m·K）、標 準 摩 爾 生 成 焓50.353 9MJ/（kg·mol）、黏 度156.663g/m·s、飽和壓力1.554 8MPa；在計算模型的y軸方向即垂直換熱管中心軸線向下的方向上置重力加速度，大小為-9.8m/s2。

2.2 邊界條件的設(shè)置

在Fluent計算中， 選擇速度入口作為該流動系統(tǒng)的入口方式， 設(shè)置出口方式為壓力出口，同時假設(shè)出口邊界處氣液兩相所處壓力場為同一個壓力場。 假設(shè)該再沸器入口處液體的流動狀態(tài)為湍流，并且已經(jīng)經(jīng)過充分發(fā)展，將入口處的參考壓力設(shè)置為15atm（1atm=1.01×105Pa），在該再沸器的出口邊界設(shè)置大小為0的表壓。 進出口處設(shè)置相同的湍流動能強度I和水力直徑d。 設(shè)置換熱管壁面熱通量恒定，加熱以后壁面與氣液兩相之間均無滑移，其余面為對稱面。

表1 液態(tài)水的物理性質(zhì)

表2 邊界條件輸入?yún)?shù)

3 結(jié)果分析

3.1 換熱管軸線方向體積含氣率變化

給定入口速度為2m/s，溫度為443.15K，熱通量qw=200kW/m2， 研究沿換熱管中心軸線方向的體積含氣率變化。 圖2給出利用面積加權(quán)平均求得的出口截面體積含氣率分布云圖， 圖3為該計算條件下，沿著該再沸器換熱管中心軸線方向的體積含氣率變化云圖，出口截面的體積含氣率分布云圖中的氣體主要呈現(xiàn)為暖色系，液體多表現(xiàn)為冷色系。

圖2 出口截面體積含氣率分布云圖

由圖3可知，隨著水在殼程不斷流動，其相態(tài)逐漸發(fā)生變化。 經(jīng)沸騰相變后，水蒸氣不斷向上運動，逐漸在殼程區(qū)域上方聚集，而液態(tài)水由于重力作用，分布于殼程區(qū)域下方。 這是由于，隨著流動的不斷進行， 換熱管壁面溫度不斷升高，當壁面溫度達到汽泡生成所需的過熱溫度時，汽泡產(chǎn)生。 隨著流動的不斷進行，汽泡逐漸長大，長大到一定程度時，汽泡逐漸脫離換熱管壁面，并隨殼程流體繼續(xù)流動，同時在液體中發(fā)生冷凝。 隨著殼程流體的不斷流動，換熱管壁面溫度不斷上升，汽化核心隨之增多，進一步加快汽泡的產(chǎn)生速率，汽泡數(shù)量快速增加，主流液體溫度持續(xù)提高，過冷度不斷減小，殼程氣體的含量隨之增多。最終在云圖中表現(xiàn)為沿著換熱管中心軸線方向氣體逐漸增多，在換熱管出口截面氣體含量達到最大。

3.2 熱通量對出口截面體積含氣率和傳熱系數(shù)的影響

圖4給出入口速度為2m/s，溫度為443.15K時，出口截面體積含氣率隨熱通量變化關(guān)系曲線。 由圖可知，當其他條件不變時，出口截面體積含氣率與熱通量成正相關(guān)。 因為汽化核心數(shù)目和換熱管壁面的過熱度隨熱通量的增加而增大，而過熱度的增加會加快汽泡生成的速率，使得流體中的汽泡不斷增加，氣體含量也隨之逐漸增加。

圖4 出口截面體積含氣率隨熱通量變化的關(guān)系曲線

由圖5可知，當入口速度和溫度不變時，傳熱系數(shù)與熱通量成正相關(guān)，因為核態(tài)沸騰會隨著熱通量的逐漸增加而增強，與此同時汽泡數(shù)量也不斷增加，因此液體受到的擾動效應(yīng)也隨熱通量的增加而增強，最終表現(xiàn)為傳熱系數(shù)明顯增加。

圖5 傳熱系數(shù)隨熱通量變化的關(guān)系曲線

3.3 入口速度對出口截面體積含氣率和傳熱系數(shù)的影響

設(shè)置入口溫度大小為443.15K， 熱通量qw=600kW/m2不變， 將入口速度從1.3m/s逐漸增加至2.2m/s時， 研究入口速度對出口截面上體積含氣率與殼程傳熱系數(shù)的影響。

圖6、7分別給出出口截面體積含氣率和傳熱系數(shù)隨入口速度的變化趨勢。 由圖6可知，出口截面體積含氣率與入口速度成負相關(guān)。 因為殼程流體中單相液體所占區(qū)域隨入口速度的增大而逐漸變長，導(dǎo)致沸騰起始點逐漸后移，沸騰區(qū)域隨之變?。?5］。 此外，液體溫度與入口速度成反比，因此隨著入口速度的增大，從換熱管壁面脫離進入主流液體的汽泡加速冷凝， 冷凝量也隨之增加，與此同時汽化的液體量逐漸下降。 由圖7可知，當其他條件不變，入口速度逐漸增加時，傳熱系數(shù)不斷增大。 因為當殼程液體流動速度逐漸加快時，沸騰區(qū)域內(nèi)汽泡從換熱管壁面脫離的速度也隨之加快，汽泡數(shù)目不斷增多，殼程流體受到汽泡的擾動效應(yīng)也不斷增強，對流傳熱系數(shù)則逐漸增加。

圖6 出口截面體積含氣率隨入口速度變化的關(guān)系曲線

圖7 傳熱系數(shù)隨入口速度變化的關(guān)系曲線

3.4 入口溫度對出口截面體積含氣率和傳熱系數(shù)的影響

設(shè)置入口速度2m/s， 熱通量qw=600kW/m2，給定不同的入口溫度， 研究入口溫度變化對出口截面的體積含氣率變化和殼程傳熱系數(shù)的影響。

由圖8可知，出口截面體積含氣率與入口溫度成正相關(guān)。 因為初始區(qū)域的過冷度隨入口流體溫度的增加而減小， 入口溫度的增加導(dǎo)致流體在殼程流動時的沸點后移， 并且單相的液體流動區(qū)域減小、沸騰區(qū)域增加。 此時，汽泡從換熱管壁面脫離進入冷卻液體的冷凝速度與冷凝量明顯減小，而汽泡數(shù)量明顯增多，氣體含量逐漸增加。

圖8 出口截面體積含氣率隨入口溫度變化的關(guān)系曲線

由圖9可知，傳熱系數(shù)與入口溫度成正相關(guān)，主要是由于入口溫度的增加導(dǎo)致沸騰區(qū)域加長，同時汽泡數(shù)目逐漸增多。 此外，氣體流量的增加導(dǎo)致氣液循環(huán)加劇、傳熱效果增強，從而使傳熱系數(shù)增大。

圖9 傳熱系數(shù)隨入口溫度變化的關(guān)系曲線

4 結(jié)論

4.1 在殼程流體的流動過程中，水的相態(tài)發(fā)生變化，密度較大的液體留在殼程區(qū)域下側(cè)，而密度較小的氣體則隨著流體的流動分布在上側(cè)；此外， 殼程流體中的氣體沿流體流動方向逐漸增多，在出口截面處氣體含量最大。

4.2 隨著入口速度的增加，出口截面體積含氣率逐漸減??；隨著入口溫度和熱通量的增加，出口截面體積含氣率逐漸增加，即出口截面體積含氣率與入口速度成負相關(guān)，與入口溫度和熱通量成正相關(guān)。

4.3 隨著熱通量、 入口速度和入口溫度的增加，傳熱系數(shù)也不斷增大， 即沸騰傳熱系數(shù)與熱通量、入口速度和入口溫度成正相關(guān)。