俞 健,王佐強(qiáng),章仲怡,谷家揚(yáng),焦 晨

(1.南通中遠(yuǎn)海運(yùn)船務(wù)工程有限公司,江蘇 南通 226000;2.中海油能源發(fā)展股份有限公司 清潔能源分公司,天津 300450;3.江蘇科技大學(xué) 海洋裝備研究院,江蘇 鎮(zhèn)江 212000)

0 引言

印刷電路板式換熱器(Printed Circuit Heat Exchanger,PCHE)是一種適用于高壓條件下的緊湊型微通道熱交換器,具有換熱效率高,且同等換熱條件下體積僅為傳統(tǒng)管殼式換熱器的1/6～1/4的優(yōu)點(diǎn),因此在浮式液化天然氣生產(chǎn)儲(chǔ)卸平臺(tái)(FLNG)、海上LNG浮式儲(chǔ)運(yùn)和再氣化裝置(FSRU)上具有廣闊的應(yīng)用前景。

液化天然氣(LNG)的氣化工藝涉及到氣液相變、兩相流動(dòng)傳熱和LNG超臨界流體傳熱等復(fù)雜工況。時(shí)紅遠(yuǎn)等[1]對(duì)帶有翼型和丁胞結(jié)構(gòu)的新型PCHE進(jìn)行分析,提升了PCHE的綜合性能。李仲珍等[2]采用數(shù)值模擬的方法研究了LNG在超臨界下管內(nèi)的流動(dòng)與換熱特性。李雪等[3]對(duì)印刷電路板式換熱器的通道形式及Zigzag通道角度進(jìn)行了研究,得出綜合性能較優(yōu)的通道角度及形式。BAIK等[4]對(duì)換熱通道波動(dòng)形式所增加的換熱面積進(jìn)行了研究,得出波動(dòng)型通道引起的循環(huán)流量可忽略不計(jì)。關(guān)于算法方面,國(guó)內(nèi)外較多采用基于溫差積分的分段計(jì)算法[5]和基于面積積分編程的分段計(jì)算法[6]等,但均存在一定的限制性,不便于工程應(yīng)用。針對(duì)以上研究現(xiàn)狀,沈妍等[7]等提出了一種4段設(shè)計(jì)法。該方法根據(jù)換熱工質(zhì)各狀態(tài)的溫度臨界點(diǎn),將換熱過程分為4個(gè)階段,依次以熱平衡方程分別進(jìn)行計(jì)算,并通過數(shù)值模擬驗(yàn)證了設(shè)計(jì)方法的可靠性,相較于其他方法更適合在工程上推廣應(yīng)用。

本文以SolidWorks作為開發(fā)平臺(tái),基于4段法將過程中涉及到的計(jì)算過程程序化,通過調(diào)用SolidWorks的API函數(shù)實(shí)現(xiàn)PCHE換熱芯體模型的自動(dòng)生成。同時(shí),為了快速校核所選型的PCHE的結(jié)構(gòu)性能,再以SolidWorks Simulation為開發(fā)平臺(tái),調(diào)用SolidWorks Simulation的API函數(shù)將所生成的模型進(jìn)行靜力學(xué)分析,最終形成基于SolidWorks平臺(tái)的PCHE CAD/CAE的設(shè)計(jì)系統(tǒng)。

1 PCHE的4段設(shè)計(jì)法

1.1 PCHE內(nèi)冷熱工質(zhì)換熱過程

在PCHE內(nèi)冷流體側(cè),LNG以液態(tài)狀態(tài)流入,過程中不斷地與熱側(cè)的丙烷換熱。當(dāng)溫度升高超過臨界溫度時(shí),LNG變?yōu)槌R界狀態(tài)流體繼續(xù)升溫后流出換熱器。熱流體側(cè),丙烷以過熱蒸汽狀態(tài)流入,流動(dòng)中不斷地與冷側(cè)的LNG換熱,當(dāng)溫度達(dá)到飽和溫度時(shí)出現(xiàn)冷凝,全部凝結(jié)后進(jìn)一步冷卻形成過冷液體。LNG氣化器換熱過程示意圖見圖1。圖中,A點(diǎn)為丙烷的飽和蒸汽狀態(tài)點(diǎn),B點(diǎn)丙烷的飽和液體狀態(tài)點(diǎn),C點(diǎn)為L(zhǎng)NG的臨界點(diǎn)。根據(jù)換熱過程中A、B、C的3個(gè)狀態(tài)點(diǎn)將LNG氣化器的換熱過程分成4段,每段的出口狀態(tài)量即為下一段的入口狀態(tài)量,以各段的進(jìn)出口平均溫度作為該段的定性溫度,并假設(shè)每段的物性參數(shù)均為常數(shù),查詢定性溫度下各段的物性參數(shù),從而針對(duì)各段依次進(jìn)行熱平衡計(jì)算。

圖1 LNG氣化器換熱過程及分段

1.2 換熱過程關(guān)鍵參數(shù)確定

1.2.1 PCHE內(nèi)熱平衡計(jì)算

PCHE內(nèi)冷熱工質(zhì)不斷換熱,在任一時(shí)刻都滿足熱平衡方程。假定忽略換熱損失,同時(shí)忽略換熱器沿介質(zhì)流動(dòng)方向的導(dǎo)熱影響,則每段溫度與換熱量的熱平衡方程為

Q1=mh(Hh,in-Hh,out)=mc(Hc,out-Hc,in)

式中:mh為熱流體質(zhì)量流量;mc為冷流體質(zhì)量流量;Hh,in和Hh,out分別為熱流體進(jìn)出口比焓;Hc,in和Hc,out分別為冷流體進(jìn)出口比焓。

由于冷熱工質(zhì)在換熱器中的狀態(tài)變化比較復(fù)雜,因此PCHE內(nèi)換熱過程的傳熱系數(shù)是換熱量計(jì)算的關(guān)鍵。

1.2.2 各分段傳熱系數(shù)的確定

第1段中,丙烷處于過熱蒸汽(LNG為過冷液)階段,采用ADAMS等[8]在Gnielinski基礎(chǔ)上提出的管內(nèi)強(qiáng)制對(duì)流傳熱關(guān)系式計(jì)算。第4段中的丙烷和第3、4段中的甲烷表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)也采用同樣的公式計(jì)算。

Nu=[(f/8)(Re-1 000)Pr]/{1.07+(900/Re)-

[0.63/(1+10Pr)]+1.27(f/8)1/2(Pr2/3-1)}

式中:Nu為該流體的努塞爾數(shù);f為管內(nèi)湍流流動(dòng)的達(dá)西(Darcy)阻力系數(shù);Re為雷諾數(shù);Pr為普朗特?cái)?shù);α為表面?zhèn)鳠嵯禂?shù);λ為導(dǎo)熱系數(shù);dh為微通道的當(dāng)量直徑。

第1、2段中,甲烷為超臨界流體,其與常規(guī)流體的傳熱機(jī)理不同,得出經(jīng)過修正的超臨界流體對(duì)流傳熱關(guān)系式[9]:

式中:μ為動(dòng)力黏度;Cp為定壓比熱容;下標(biāo)s為超臨界流體,h為熱流體。

在第2、3段中,丙烷處于冷凝(冷凝相變換熱)階段,在多次實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上提出的管內(nèi)冷凝放熱綜合關(guān)系式計(jì)算[10],經(jīng)修正后的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)α的計(jì)算如下:

式中:α1為工質(zhì)在飽和液體狀態(tài)下的對(duì)流換熱系數(shù);X為平均干度,即入口處和出口處干度的平均值;R為蒸氣的對(duì)比態(tài)壓力。

最后,PCHE內(nèi)冷熱工質(zhì)總傳熱系數(shù)可通過復(fù)合傳熱關(guān)系式計(jì)算:

式中:Ki為第i(i=1,2,3,4)段對(duì)應(yīng)的傳熱系數(shù);αh,i為第i微段熱側(cè)流體的表面對(duì)流傳熱系數(shù);Δd為冷熱流體間壁面厚度;λw為壁面材料導(dǎo)熱系數(shù);αc,i為第i微段冷側(cè)流體表面對(duì)流傳熱系數(shù)。

2 SolidWorks二次開發(fā)

2.1 SolidWorks CAD/CAE與二次開發(fā)

SolidWorks面向整個(gè)工程設(shè)計(jì)領(lǐng)域,是一款通用的三維模型設(shè)計(jì)軟件(Computer Aided Design,CAD)。SolidWorks基于ActiveX Automation提供了眾多API(Application Programming Interface)函數(shù),根據(jù)完全面向?qū)ο蟮念愺w系,通過調(diào)用對(duì)象的方法、事件、屬性等訪問SolidWorks的數(shù)據(jù)、圖形與界面系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)SolidWorks平臺(tái)的二次開發(fā)。

2.2 SolidWorks CAD API結(jié)構(gòu)關(guān)系

SldWorks是SolidWorks API中最高級(jí)別的對(duì)象[11],是所有接口的基類。ModelDoc2派生于SldWorks,是最常用的子對(duì)象,它封裝了不同文檔模型對(duì)象通用的方法與屬性,提供了直接訪問PartDoc、AssemblyDoc、DrawingDoc對(duì)象的方法,對(duì)應(yīng)可以對(duì)零件、裝配及工程圖進(jìn)行操作。

2.3 SolidWorks Simulation CAE API結(jié)構(gòu)關(guān)系

Simulation是SolidWorks中基于有限元法的設(shè)計(jì)分析平臺(tái)。CosmosWorksLib是Simulation API的頂層對(duì)象[11],CosmosWorks是Simulation的接口對(duì)象,允許訪問API的方法、屬性以及為API提供相關(guān)工作環(huán)境。CosmosWorks外的其他對(duì)象是創(chuàng)建和處理分析的主要對(duì)象,通過對(duì)這些對(duì)象的調(diào)用可以在開發(fā)程序中實(shí)現(xiàn)Simulation的功能。

3 軟件設(shè)計(jì)與開發(fā)

3.1 設(shè)計(jì)與流程

基于SolidWorks的PCHE CAD/CAE設(shè)計(jì)系統(tǒng)分為CAD與CAE兩個(gè)模塊。CAD模塊基于4段法求解出模型結(jié)構(gòu)的必要數(shù)據(jù),實(shí)現(xiàn)PCHE的自動(dòng)建模;CAE模塊對(duì)CAD模塊中所生成的模型進(jìn)行有限元分析,校核是否滿足強(qiáng)度要求。模塊設(shè)計(jì)、建模與分析流程見圖2。

圖2 PCHE CAD/CAE系統(tǒng)設(shè)計(jì)流程

一般情況下,溫度變化幅度較大的強(qiáng)度分析涉及到溫度對(duì)材料性能的影響、溫度對(duì)材料產(chǎn)生的應(yīng)力變化和外力對(duì)材料的影響等。該P(yáng)CHE設(shè)計(jì)材料選用316L不銹鋼,根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)與文獻(xiàn)[12]顯示,在超低溫下不銹鋼材料的強(qiáng)度特性相較于常溫下有所提高,且在低溫下能保持較好的塑性變形能力。因此,為了簡(jiǎn)化分析過程,本軟件設(shè)計(jì)忽略超低溫對(duì)不銹鋼性能的影響,不進(jìn)行熱力耦合分析,只考慮外力對(duì)強(qiáng)度的影響。

3.2 軟件開發(fā)

該軟件采用C#語言,以Visual Studio 2019為開發(fā)環(huán)境進(jìn)行開發(fā),通過SolidWorks自帶的swCsharpAddin模板可快速生成高集成度的SolidWorks插件,插件功能模塊內(nèi)嵌在CommandManager和工具欄上。

PCHE適用于多項(xiàng)介質(zhì)進(jìn)行熱量交換,如氮?dú)?、甲烷、甲醇、乙烷、丙?異戊烷等。在PCHE中,超臨界流體在臨界溫度和壓力附近時(shí),物性會(huì)發(fā)生很大變化,因此,氣化器設(shè)計(jì)過程中物性不能當(dāng)做常數(shù)計(jì)算。軟件包含52個(gè)工質(zhì)流動(dòng)傳熱計(jì)算用物性參數(shù),數(shù)據(jù)庫內(nèi)物性參數(shù)根據(jù)美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院標(biāo)準(zhǔn)物性建立,每個(gè)工質(zhì)涵蓋液態(tài)、飽和態(tài)、過熱蒸汽態(tài)等流體狀態(tài),包含低溫常用換熱工質(zhì)數(shù)據(jù)庫,如甲烷、各種制冷劑等工質(zhì)物性數(shù)據(jù)庫,為超低溫和超高壓的運(yùn)行工況提供工質(zhì)亞臨界、超臨界狀態(tài)物性數(shù)據(jù)。

PCHE模型模塊用于對(duì)目標(biāo)模型的快速建模,模型的各必要參數(shù)通過手動(dòng)設(shè)定與程序化的4段法計(jì)算得出。建模模塊又分為PCHE換熱量計(jì)算和PCHE芯體設(shè)計(jì)頁面,模塊的設(shè)計(jì)同樣是基于對(duì)4段法的計(jì)算公式與流程的研究。計(jì)算所得各項(xiàng)數(shù)據(jù)可直接快速生成三維模型,也可導(dǎo)入數(shù)據(jù)庫,或通過顯示數(shù)據(jù)庫中以前的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比選擇,最終生成合適的模型。

PCHE仿真模塊方便設(shè)計(jì)者在設(shè)計(jì)完成后校核所設(shè)計(jì)的模型強(qiáng)度。雖然PCHE整體外觀形狀規(guī)則,內(nèi)部流道布置整齊,規(guī)律性強(qiáng),但其流道形狀較多(具有半圓、圓形、橢圓、矩形和翼型等),且流道均為微孔,直徑多為1 mm級(jí)。因此,在模型仿真方面要求電腦具備較高的性能。針對(duì)該問題,PCHE仿真模塊增加了仿真模型重建的功能,即基于設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)或數(shù)據(jù)庫中以往的數(shù)據(jù),自動(dòng)生成較少流道(默認(rèn)為3)的模型用于仿真。

本文對(duì)316L不銹鋼材料進(jìn)行了力學(xué)試驗(yàn)。根據(jù)最終的力學(xué)試驗(yàn)結(jié)果形成不同溫度下的材料屈服強(qiáng)度數(shù)據(jù)庫,通過PCHE仿真界面可直接選取,方便分析查看。

模型網(wǎng)格化是有限元分析中不可缺少的過程。在模型重建后,仿真模型尺度與微孔尺度基本可達(dá)到同一數(shù)量級(jí),這對(duì)網(wǎng)格劃分是非常有利的。程序中調(diào)用GetDefaultMaxAndMinElementSize函數(shù)進(jìn)行最大與最小的網(wǎng)格尺寸設(shè)置:將最大網(wǎng)格大小設(shè)置為4段法計(jì)算中的當(dāng)量直徑;最小網(wǎng)格是對(duì)流道內(nèi)網(wǎng)格進(jìn)行局部細(xì)化,將Quality屬性設(shè)置為1,表示網(wǎng)格將以高質(zhì)量劃分。最終的自適應(yīng)網(wǎng)格劃分是通過CWStudy.CreateMesh函數(shù)執(zhí)行,實(shí)現(xiàn)網(wǎng)格的自動(dòng)生成。程序中利用MaxAspectRatio與GetWorstJacobianRatio函數(shù)獲取網(wǎng)格劃分后的高寬比與雅可比值,以便于在程序中進(jìn)行網(wǎng)格質(zhì)量判斷。

4 工程應(yīng)用

PCHE芯體設(shè)計(jì)的初始條件見表1。

表1 PCHE芯體設(shè)計(jì)的初始條件

PCHE芯體的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)見表2。

表2 PCHE芯體的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)

根據(jù)表1中的初始值進(jìn)行計(jì)算,得出分段數(shù)為4段,總換熱量為215.194 kW。將表2中的結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)輸入到PCHE設(shè)計(jì)對(duì)話框可計(jì)算出結(jié)果。計(jì)算結(jié)果可以寫入到數(shù)據(jù)庫或直接生成模型。自動(dòng)生成的PCHE三維模型見圖3。

圖3 PCHE三維模型自動(dòng)生成

在PCHE仿真模塊中,通過仿真模型下拉菜單選擇以往設(shè)計(jì)過的項(xiàng)目號(hào)即可調(diào)用該項(xiàng)目數(shù)據(jù)。為了節(jié)省計(jì)算資源,默認(rèn)仿真板片數(shù)和通道數(shù)為3。通過設(shè)定按鈕完成芯體材料屬性、邊界條件、載荷布置和網(wǎng)格劃分等功能,最終點(diǎn)擊強(qiáng)度分析后計(jì)算的應(yīng)力云圖見圖4。根據(jù)應(yīng)力云圖所示,在冷測(cè)流體施加20 MPa的壓力下,芯體的最大應(yīng)力在上邊緣流道內(nèi)部為148.7 MPa;常溫下不銹鋼316L的屈服強(qiáng)度為170 MPa,此時(shí)安全系數(shù)小于1.15。但從實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)來看,超低溫-157 ℃下不銹鋼材料的屈服強(qiáng)度達(dá)到了605 MPa,芯體所受應(yīng)力遠(yuǎn)小于安全系數(shù)為1.5時(shí)的屈服強(qiáng)度,因此,在該換熱工質(zhì)、溫度、流量及壓力下,PCHE芯體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)能夠滿足強(qiáng)度要求。

圖4 PCHE結(jié)構(gòu)仿真的應(yīng)力云圖(單位:MPa)

5 結(jié)論

(1)本文通過對(duì)4段法的PCHE設(shè)計(jì)流程進(jìn)行研究,基于SolidWorks平臺(tái),利用C#開發(fā)出PCHE CAD/CAE系統(tǒng)的設(shè)計(jì)插件,實(shí)現(xiàn)PCHE的自動(dòng)建模與強(qiáng)度校核。軟件開發(fā)綜合考慮了CAD與CAE在實(shí)際設(shè)計(jì)中的難點(diǎn),將4段法中大量的公式、流程等設(shè)計(jì)算法程序化,整合各材料的物性參數(shù)形成數(shù)據(jù)庫,簡(jiǎn)化仿真模型以節(jié)省計(jì)算資源,模型網(wǎng)格尺度的自動(dòng)化設(shè)置及建模與仿真的自動(dòng)化生成。PCHE CAD/CAE設(shè)計(jì)系統(tǒng)不僅提高了設(shè)計(jì)效率,還使不具備CAE專業(yè)知識(shí)的設(shè)計(jì)者也能夠進(jìn)行準(zhǔn)確的仿真強(qiáng)度校核。

(2)軟件開發(fā)實(shí)現(xiàn)了建模與仿真的一體化設(shè)計(jì),具有較強(qiáng)的針對(duì)性與專業(yè)性,對(duì)PCHE設(shè)計(jì)應(yīng)用具有實(shí)際的工程意義,同時(shí)也為CAD/CAE一體化設(shè)計(jì)的計(jì)算機(jī)輔助工程設(shè)計(jì)領(lǐng)域提供了開發(fā)思路。

(3)本軟件還需完善整體設(shè)計(jì),通過添加換熱器封頭設(shè)計(jì)模塊,形成緊湊高效微通道換熱器整體設(shè)計(jì)軟件。