﻿ 超临界LNG在螺旋形微通道中的流动传热特性
 舰船科学技术  2022, Vol. 44 Issue (10): 61-67    DOI: 10.3404/j.issn.1672-7649.2022.10.012 PDF

Flow and heat transfer of supercritical LNG in spiral microchannel
SU Tong, LIU Yan-yu, ZHANG Yong-ou
School of Transportation, Wuhan University of Technology, Wuhan 430063, China
Abstract: As liquefied natural gas (LNG) is stable, safe and small, it is usually transported after liquefaction. LNG can only be used or put into pipeline after vaporization, so heat exchanger is widely used as the key component of vaporizing LNG. The heat exchanger is composed of a large number of micro channels. This paper mainly analyzes the flow of supercritical LNG in spiral microchannel, and compares the flow and heat transfer performance of spiral microchannel with different pitch. With the decrease of pitch, the heat transfer performance is improved, but the flow performance is decreased. Compared with the straight channel, the spiral channel with appropriate pitch can significantly improve the heat transfer performance, but has less effect on the flow performance. By calculating the flow and heat transfer performance of spiral channel with different mass flux and heat flux, the mass flux and heat flux which can achieve better flow and heat transfer performance in spiral channel are discussed.
Key words: heat exchanger     spiral flow channel     supercritical LNG     flow and heat transfer performance
0 引　言

1 模型介绍

 图 1 流道横截面 Fig. 1 Cross section of flow channel

 图 2 不同形状的流体域模型 Fig. 2 Fluid domain models with different shapes
2 方法与验证 2.1 计算方法

2.2 热物性参数

ρ=865.759−6.751T+0.0396786T2−9.93909×10−5T3，121≤T<233.65；ρ=5606.645−53.738T+0.176T2−1.94134×10−4T3，233.65≤T<384.791。

Cp=−29299.31+585.69T−3.57T2+7.39546×10−3T3，162.12≤T<200.618；Cp=780505.89−11103.73T+52.66T2−8.27359×10−2T3，200.618≤T<218.679；Cp=15131340.31−269079.85T+1790.33T2−5.28T3+5.8255×10−3T4，218.679≤T<236.74；Cp=−367428.36+4796.08T−20.25T2+2.80547×10−2T3，236.74≤T<260.504；Cp=169650.39−1620.37T+5.29T2−5.78818×10−3T3，260.504≤T<303.992；Cp=37704.89−285.23T+0.778489T2−7.11777×10−4T3，303.992≤T<361.74；Cp=3152.65，361.74≤T<385。

λ=0.34317−1.268×10−3T−7.43911×10−7T2+4.035×10−9T3，121≤T<233.413；λ=2.333486−2.4318×10−2T+8.63542×10−5T2−1.02523×10−7T3，233.413≤T<284.268；λ=0.350815−2.69×10−3T+7.60346×10−6T2−6.82556×10−9T3，284.268≤T<384.791。

μ=1.283575×10−3−2.1655×10−5T+1.49×10−7T2−1.75047×10−10T3+5.77234×10−13T4，121≤T<258.84；μ=1.52655×10−5，258.84≤T<367.918；μ=−5.813×10−5+1.99×10−7T ，367.918≤T<374.572；μ=1.65929×10−5，374.572≤T<384.791。

 图 3 多项式拟合后的物性参数 Fig. 3 Physical parameters after polynomial fitting

2.3 计算方法验证

 $Nu = \frac{{h{D_h}}}{\lambda }。$ (1)

 $h = \frac{{{q_w}}}{{{T_{wall}} - {T_b}}} = \frac{{{q_w}}}{{{T_{wall}} - ({T_{out}} + {T_{in}})/2}}。$ (2)

 $Eu = \frac{{\Delta P}}{{\rho {u^2}}} 。$ (3)

 图 4 260 mm直流道网格 Fig. 4 260 mm straight channel grid

2.4 网格收敛性验证

p=25 mm螺旋形模型为对象，分别划分粗糙网格、适中网格和加密网格3种流体计算网格，各划分方案对应的网格总量为1000万、2000万和4000万单元。

3种网格量的y+值都主要分布在0.1～1之间，不同网格量的入口处网格如图5所示。

 图 5 50 mm螺旋形流道不同网格量方案入口处网格 Fig. 5 Inlet grid of different grid amount schemes for 50 mm spiral channel

 图 6 不同网格数量Nu和Eu数对比图 Fig. 6 Comparison of Nu and Eu with different grid numbers

3 不同形状下换热流动情况对比

 图 7 不同螺距情况下的温度云图 Fig. 7 Contours of temperature under different pitch

 图 8 不同螺距情况下的速度云图 Fig. 8 Contours of velocity under different pitch

Nu数与Eu数对比如图9所示。

 图 9 不同几何形状局部Nu数和Eu数对比 Fig. 9 Comparison of local Nu and Eu numbers in different geometric shapes

Nu数对比图可知，随着旋转角度的增大，换热效果也随之增强。其中，螺距为50 mm和25 mm的微细流道的换热效果明显强于直流道，而16.67 mm螺距微细流道的换热效果也明显强于螺距为50 mm和25 mm的流道。但是通过Eu数对比图可以看出直、50 mm螺距、25 mm螺距流道的流动性能相差较小，而螺距为16.67 mm的流道的压力损失则明显增大。

4 不同流速下换热流动情况对比

p=25 mm的微细流道在入口质量通量分别为200 kg/m2s，325 kg/m2s，450 kg/m2s，575 kg/m2s，700 kg/m2s，压强为10.5 MPa，上下壁面施加恒定为30000 W/m2热流密度情况下进行CFD计算，得到不同流速情况下温度云图如图10所示，速度云图如图11所示。

 图 10 不同质量通量情况下的温度云图 Fig. 10 Contours of temperature under different mass fluxes

 图 11 不同质量通量情况下的速度云图 Fig. 11 Contours of velocity under different mass fluxes

 图 12 不同质量通量时局部Nu数和Eu数对比 Fig. 12 Comparison of local Nu and Eu numbers at different mass fluxes

5 不同热流密度下换热流动情况对比

 图 13 不同热流密度情况下的温度云图 Fig. 13 Contours of temperature under different heat flux

 图 14 不同热流密度情况下的速度云图 Fig. 14 Contours of velocity under different heat flux

 图 15 不同热流密度时局部Nu数和Eu数对比 Fig. 15 Comparison of local Nu number and Eu number under different heat flux

6 结　语

1）随着螺旋程度的加大，换热性能改善而流动性能下降，流道半径为0.75 mm条件下，选择螺距为50 mm或25 mm可以获得更好的换热性能而对流动性能的影响较小；

2）螺旋形微流道内，随着流速的加快，换热性能和流动性能都有提升，但流速较快时，流动性能提升有限，流动变得紊乱，且温度变化较小无法满足汽化的条件。

3）随着上下壁面热流密度的增大，换热性能变化较小而流动性能先改善后变差，本文模型选择热流密度为30 000 w/m2最佳。

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