天然氣液化主低溫換熱器流動換熱特性教學實驗設計

韓 輝，李玉星，朱建魯，王武昌，胡其會，孫崇正

（中國石油大學（華東）儲運與建筑工程學院，山東省油氣儲運安全省級重點實驗室，山東青島 266580）

0 引 言

2020 年9 月，習近平總書記提出“碳排放力爭于2030 年前達到峰值，努力爭取2060 年前實現碳中和”的目標［1］。天然氣作為一種低碳能源，在我國向低碳能源轉型并最終實現“雙碳”目標的過程中起著重要的橋梁作用［2-3］。液化天然氣（Liquefied Natural Gas，LNG）是天然氣的一種高效運輸、儲存方式，逐漸成為國際天然氣貿易的主流形式。2020 年，我國LNG 進口總量約為7.24 ×106t，約合9 ×1010m3，占我國天然氣進口總量的65%［4-6］。LNG需求的劇增必將帶來其產業鏈的飛速發展，同時也提高了對液化天然氣方面人才培養的要求。我校在油氣儲運工程專業開設液化天然氣利用技術這門課程已有12 年，目前課程體系成熟，教學內容覆蓋液化天然氣產業鏈上中下游的主要工藝與設備，使本專業畢業生具有從事液化天然氣相關工作的基礎知識與技能。2019 年，本專業通過專業認證，圍繞培養“能夠分析、解決復雜工程問題”的專業技術人才這一目標［7-8］，考慮到本專業課程實驗在天然氣液化工藝中主低溫換熱設備方面少有涉及，因此教研組以國家自然科學基金聯合重點項目“新型FLNG裝置天然氣帶壓液化復雜流動與換熱的基礎問題”項目以及山東省自然科學基金“多自由度擾動下微通道內非共沸工質流型演化及換熱特性研究”項目為依托，搭建了一套天然氣液化主低溫換熱器流動與換熱實驗裝置，該裝置可以實現低溫測試條件下流型演化特性觀測［9］和流動換熱性能測試［10-11］。裝置具有較好的通用性，對天然氣液化工藝中常見的主低溫換熱器，例如板翅式換熱器、繞管式換熱器以及印刷電路板式換熱器等［12-14］均可通過更換測試段實現測試；同時測試段可靈活拆卸、組裝，用于測試不同的內部通道結構和管型等參數影響。利用該實驗裝置開展不同主低溫換熱器在不同溫區的流動換熱課程實驗，幫助學生理解換熱設備的換熱規律與工作機制，鍛煉學生形成分析、解決天然氣液化工藝中主低溫換熱器存在的復雜流動傳熱問題的能力［15］。

1 實驗系統設計

1.1 流動換熱實驗平臺的設計

搭建的天然氣液化主低溫換熱器流動換熱特性實驗裝置的工藝流程如圖1 所示。實驗流程包括低溫冷劑循環、液氮制冷流路、常溫液相冷劑循環、熱水循環和冷水循環。裝置可以實現低溫和常溫條件下不同冷劑的流動傳熱測試。

圖1 天然氣液化工藝主低溫換熱器流動換熱特性實驗裝置及工藝流程

常溫冷劑循環中，采用戊烷作為測試工質，分離器中的液態戊烷通過屏蔽泵輸送至板式換熱器，與熱水進行換熱，達到飽和溫度后進入可視化測試段。泵的出口設有至分離器的旁通，便于流量進一步調節。戊烷進入可視化測試段后，在換熱通道中被加熱并完成換熱和壓降性能測試；流出測試段后，經水冷后返回分離器。為了實現戊烷的加熱和冷卻，分別配套設計了熱水和冷水循環，冷、熱水分別通過離心泵輸送至板式換熱器，換熱后回到儲罐。實驗中通過調節變頻泵頻率及出口閥門開度控制質流密度（30～50 kg／（m2·s）和工質入口干度（0～1）。

低溫冷劑循環中，實驗工質包括氬氣、R11 等。氣體工質經風機增壓后，進入板式換熱器冷卻，之后在兩級冷凝器中與液氮換熱實現預冷和過冷。液化后的冷劑進入低溫實驗測試段，在換熱測試段，冷劑被加熱完成相變傳熱，同時進行該過程的流動和換熱性能測試。換熱后的工質通過氣化器完全氣化后，回到風機入口。低溫實驗中采用液氮冷卻，液氮通過自增壓從儲罐流出，依次進入深冷冷凝器和預冷凝器，換熱后排入空氣中。低溫實驗管路和測試段需要包裹保溫層保冷，以確保低溫實驗的正常進行。

1.2 不同換熱器測試段的設計

為了能夠實現不同低溫換熱器的測試，針對典型的換熱器結構，例如繞管式換熱器和印刷電路板式換熱器，分別進行了測試段的設計，測試段可以直接與實驗平臺連接，開展實驗測試。

（1）繞管式換熱器測試段的設計。繞管式換熱器是一種大型的換熱設備，實驗室加工的測試段應能夠體現該類型設備的主要流動和換熱特征，設計的結構如圖2 所示，由外殼、管束、側板與可視化窗口組成。設計外殼尺寸為130 mm ×98 mm ×314 mm，材料為304 不銹鋼；管束是繞管式換熱器工作部分的主體，其前后由2 層管束組成，由上到下依次為多排穩流管和測試管，測試管管壁軸向打孔，可插入T 型熱電偶測溫；管內置電加熱棒，通過控制柜調節電加熱棒的功率，以提供不同大小熱流，單根加熱棒最大功率為240 W。可視化窗口為3 mm厚度的透明亞克力板。側板用于固定管束，通過改變側板開孔位置、大小、形狀可以方便實現不同管間距、管徑、管形的測試管測試。圖3 所示為加工測試的幾種換熱管管形。側板與外殼通過螺栓連接并用丁腈墊片密封。

圖2 繞管式換熱器測試段結構

圖3 繞管式換熱器測試段換熱管管形

（2）印刷電路板式換熱器測試段設計。印刷電路板換熱器是一種高效緊湊式換熱器，其通道尺寸在毫米級，典型換熱通道結構如圖4 所示，測試段由微通道測試段和有機玻璃蓋板構成，微通道測試段通過化學蝕刻或者機械加工的方式制作。在測試通道底部對應放置長200 mm，寬60 mm的電加熱片，以實現測試段的均勻加熱，并通過控溫箱來控制加熱的熱流密度。為測量通道的流動換熱性能，在測試段進口安裝流量計，進、出口處分別布置溫度和壓力傳感器，測量工質的流量、溫度和壓力等參數。同時，微通道底部5 mm處沿流動方向等距布置6 個?2 mm的測溫孔，以放置熱電偶，測量沿程的溫度變化。為減小實驗過程中由于漏熱帶來的熱損失，在進行流動沸騰換熱實驗時，對整個實驗裝置包裹保溫隔熱材料。

圖4 印刷電路板換熱器測試段示意圖

2 用于課程實驗的可行性分析

本裝置側重于天然氣液化過程中不同類型主低溫換熱器在不同溫區的流動換熱性能測試，具有以下特點：

（1）實驗內容豐富性。天然氣液化工藝所常用的主低溫換熱器類型并非單一，不同類型換熱器的流動換熱性能差異較大；同時，對于同一類型換熱器用于天然氣液化時，其工作溫區跨度較大，流動換熱規律也不盡相同。當前實驗裝置將流體控制系統與測試段分離，采用標準化進出口連接方式，便于更換不同類型測試段；此外，可通過控制管路閥門切換使用常溫管路與低溫管路，實現不同操作溫度下的實驗。

（2）實驗裝置可靠性。當前實驗裝置離心泵、板式換熱器、流量計、溫度傳感器、壓力傳感器等所有設備選型參數均按所定實驗工況計算所得，均可在設計實驗工況范圍內長時間穩定運行。所有管路均做充分保溫處理，確保換熱實驗系統的漏熱量在允許范圍內。

（3）實驗裝置安全性與易操作性。當前實驗裝置運行壓力較低，管道承壓富余量極大；管道經過嚴格的泄漏檢測，且動力設備均設有旁通管路，儲罐等設置有放空閥，可確保實驗安全性。當前裝置流體控制系統集中在兩層操作平臺，便于集中調節系統工作狀態，測試段與流體控制系統連接標準化，更換方便。

課程實驗于完成相關課程章節知識教學后進行，實驗開始前，學生需熟悉所有設備的使用方法以及實驗步驟。

（1）按照預定實驗內容選取對應實驗材料，組裝測試段，并進行密封與保溫；達到密封性與保溫性要求后，將測試段通過快速接頭與流體控制系統進行連接。

（2）進行常溫實驗時，首先確保管路閥門處于常溫管路暢通、低溫管路封閉狀態。啟動戊烷變頻離心泵，使系統處于工作狀態；通過調節變頻器及泵的出口閥門與旁通管路閥門開度調節管路中戊烷的壓力與流量；之后通過調節熱水循環管路閥門開度來調節進入測試段戊烷的溫度與干度，調節加熱棒控制柜來調節測試段中的換熱量；然后通過調節冷水循環管路閥門開度來調節回到戊烷儲罐的戊烷溫度；所有設備調節完畢后，使系統按當前狀態工作20 min 以上，以確保達到換熱平衡狀態；之后采用高速攝像機對戊烷流動特征進行拍攝，同時記錄對應流量與換熱量下管路中所有溫度傳感器、壓力傳感器及壓差傳感器示數，以便進行數據處理；實驗結束后，依次關閉加熱棒控制柜和所有離心泵設備，關閉管路所有閥門并拆卸測試段。

（3）進行低溫實驗時，首先確保管路閥門處于低溫管路暢通、常溫管路封閉狀態。啟動變頻風機使系統處于工作狀態；通過調節變頻器及風機出口閥門與旁通管路閥門開度調節管路中低溫工質的壓力與流量；之后調節液氮的流量使進入測試段的工質溫度處于設定值，然后調節加熱棒控制柜來調節測試段中的換熱量；等待換熱平衡時間以及數據記錄工作與常溫實驗相同；實驗結束后，依次關閉加熱棒控制柜、液氮出口閥和風機，關閉管路所有閥門并拆卸測試段。

3 開設的實驗項目及教學效果

目前已開設的開放實驗項目包括：

（1）換熱器測試段流型可視化。以繞管式換熱器殼側的降膜流動過程流型觀測為例，管間流型直接影響液膜分布和換熱性能，當采用常溫的正戊烷冷劑進行降膜流動時，利用高速相機觀察換熱管管間流動形態，通過改變噴淋密度、管間距、管形，研究流型演化及轉換規律，綜合不同實驗參數擬合出管間流型轉變關聯式。通過該實驗設計能夠幫助學生了解換熱器內流型劃分的知識、掌握圖像處理方法、分析出換熱器內不同參數對降膜流動的影響規律以及認識到多種因素對換熱性能的影響機理。圖5 所示給出了實驗過程中觀察到的換熱管管間流動形態變化，圖6 所示為根據實驗結果歸納的不同管型管間流型轉變的臨界雷諾數。

圖5 繞管式換熱器管間降膜流型演化特性

圖6 管間流型轉變臨界Re數

（2）繞管式換熱器流動與換熱性能測試實驗。研究繞管式換熱器的流動與換熱性能是進行該型換熱器設計的關鍵。通過實驗分析得到結構參數（管間距、管形），工況參數（質量流量、熱流密度）對降膜換熱性能的影響規律，開發針對不同管形的換熱和阻力關聯式。圖7 所示給出了3 種管形下熱流密度對換熱性能的影響曲線。由圖可見，以熱流密度對傳熱系數影響為例，熱流密度較高時，傳熱以核態沸騰為主，沸騰傳熱隨熱流密度的增加而變弱，這是因為隨著熱流密度增加蒸發量增加，在同樣液膜供給量的前提下，蒸干發生的概率增大。靠近壁面的液膜吸熱生成氣泡，氣泡向液面遷移的過程中增加液膜擾動也對傳熱有強化作用。當熱流密度較小時，液膜內對流傳熱占主導。在滿足液膜完全覆蓋的前提下，傳熱系數不受熱流密度的影響。

圖7 3種管形下熱流密度對換熱性能的影響曲線

（3）印刷電路板換熱器通道內流動換熱性能測試。印刷電路板式換熱器（PCHE）是一種高效的微通道換熱器，通道結構對流動換熱特性影響顯著，以綜合性能較優的翼型翅片通道為例，在入口雷諾數為928～2 705的范圍內，測量并計算了翼型PCHE 通道內戊烷工質流動換熱的換熱系數及壓降，結果如圖8 所示，實驗過程中的熱流密度為9.134 kW·m－2。由圖可見，伴隨戊烷入口雷諾數增加，翼型通道的換熱系數整體呈上升趨勢，且上升的幅度越來越大，Re數從928 增加到2 705 時換熱系數增幅約為3 倍，壓降增加3.89倍，壓降增幅高于換熱系數增加。這是因為入口質量流量的增大加快了熱量的交換效率，進而導致通道的整體換熱性能升高與壓降損失增大。

圖8 不同Re數下PCHE通道換熱系數及壓降的變化

通過控制加熱器功率可以調節PCHE通道壁面的熱流條件。圖9 所示為不同熱流密度下通道整體換熱系數及流動阻力的變化趨勢。對于翼型PCHE通道內戊烷兩相換熱實驗，伴隨壁面熱流密度的提升，通道整體換熱系數與流動阻力均成上升趨勢，且增幅逐漸減緩。這是因為高熱流密度下，一方面流體溫度提升，其密度、黏度隨之降低，從而在質量流量一定的前提下增大了流體的流速，進而加強了換熱效果與流動損失；另一方面，熱流密度的增大會導致壁面處溫度過高，導致流體產生局部流動沸騰現象，產生氣泡流動，從而提升了通道的總換熱系數，但同時氣泡流產生的擾動也加劇了流體對壁面的沖擊，從而提升了流動阻力。

圖9 不同熱流密度下PCHE通道換熱系數及壓降的變化

4 結 語

通過本實驗平臺和測試實驗的設計，學生可以綜合性地掌握天然氣液化的工藝流程、換熱器工作原理、實驗操作的方法以及數據處理的相關知識。在對天然氣液化實驗裝置介紹的基礎上，將低溫換熱設備的實驗裝置與本科教學結合，設計了繞管式換熱器以及印刷電路板式換熱器內部流動和換熱測試實驗，并將其應用于本科生的課程實驗。主要得到以下結論：

（1）該實驗搭建的小型天然氣液化裝置結構緊湊，便于調節和更換，與當下主流工藝緊密貼合，具有一定的可靠性，能夠達到開放教學實驗的要求。同時也拓展了相對應的課程內容，便于學生理解和操作。

（2）通過換熱器管束間降膜流動特性以及換熱器換熱性能測試等一系列的實驗，總結出換熱器影響因素的一般規律，運用數據加圖像的處理手法，直觀地呈現出其特性的變化趨勢。能夠培養學生的數據分析能力，包括從宏觀角度觀察和微觀視角分析，運用多思維模式去理解并加以運用。

（3）“天然氣液化主低溫換熱器流動換熱特性”這一教學實驗來自于科研實踐，結合了液化天然氣利用技術課程的特點，具有較高的科學性和綜合性。該實驗涉及天然氣液化技術中較多的知識點，對學生的基礎實驗能力有著較高的要求。通過對該實驗進行學習和操作，這些實驗操作與知識點交織結合，可有效地鍛煉學生的動手能力，促進學生對相關內容的記憶和理解，激發其學習興趣，端正其學習態度。