中國市政工程華北設(shè)計(jì)研究總院 張書堂

同濟(jì)大學(xué)熱能與環(huán)境工程研究所 張 潔

液化天然氣空溫式氣化器傳熱過程的數(shù)值分析

中國市政工程華北設(shè)計(jì)研究總院 張書堂

同濟(jì)大學(xué)熱能與環(huán)境工程研究所 張 潔

選取常見的五種不同尺寸的翅片管，運(yùn)用數(shù)值模擬的研究方法，模擬空溫式氣化器單根翅片管的溫度場和計(jì)算不同尺寸結(jié)構(gòu)的單根翅片管的換熱量，分析了影響翅片管換熱量、占地面積和重量的主要尺寸因素，并提出了空溫式氣化器的優(yōu)化方案。

LNG 空溫式氣化器 數(shù)值模擬 換熱

0 概述

隨著經(jīng)濟(jì)的持續(xù)穩(wěn)步增長，我國對天然氣的需求量不斷增大，然而，我國“富煤、缺油、少氣”的能源現(xiàn)狀以及天然氣分布與需求地區(qū)不匹配現(xiàn)狀，使得我國需要進(jìn)行大規(guī)模的天然氣輸運(yùn)與儲存。天然氣的主要成分是甲烷，其臨界溫度為190.85 K，在常溫下無法僅靠加壓就將其液化。目前的做法是在常壓下將其降溫到111 K液化，即為液化天然氣(LNG)，天然氣液化后體積縮小到原來的1/625，體積能量密度為汽油的72%，十分有利于儲存和運(yùn)輸。液化天然氣供給用戶之前必須要?dú)饣蚨夯烊粴鈿饣局械臍饣鞒蔀檫@個(gè)系統(tǒng)中不可或缺的一部分。氣化器主要有四種類型：開架式氣化器、空溫式氣化器、浸沒燃燒型氣化器以及中間傳熱介質(zhì)型氣化器。其中，空溫式氣化器與其他幾種氣化器相比較具有耗能低、無污染、低排放等優(yōu)點(diǎn)，所以空溫式氣化器以其節(jié)能環(huán)保的優(yōu)勢被大力提倡。但是，空溫式氣化器存在設(shè)備龐大，造價(jià)高等缺點(diǎn)，我國自主設(shè)計(jì)的空溫式氣化器缺乏自主創(chuàng)新和優(yōu)化設(shè)計(jì)，多數(shù)是依據(jù)現(xiàn)有的經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行制造和設(shè)計(jì)，缺乏理論基礎(chǔ)。

本文針對不同尺寸的空溫式氣化器，對單根翅片管的溫度場及換熱量進(jìn)行模擬，分析比較翅片的高度、厚度和數(shù)量對換熱量、占地面積、重量及造價(jià)的影響，并提出優(yōu)化建議，為以后研究空溫式氣化器提供一種指導(dǎo)方法。

1 空溫式氣化器的工作原理及計(jì)算模型

1.1 空溫式氣化器的工作原理

空溫式氣化器是一種星形翅片管結(jié)構(gòu)，目前主要有4翅片結(jié)構(gòu)、8翅片結(jié)構(gòu)和12翅片結(jié)構(gòu)，由于鑄造工藝水平的限制，國內(nèi)多為8翅片以下結(jié)構(gòu)，圖1、圖2所示為8翅片結(jié)構(gòu)翅片管的外形他和橫截面。

圖1 8星形翅片管的外形

圖2 8星形翅片管的橫截面

液態(tài)天然氣由翅片管下方進(jìn)入，上方出來。進(jìn)入氣化器后的液體被加熱，壓力高、沸點(diǎn)低的組分受熱后先被氣化。但是，由于液體混合物會斷斷續(xù)續(xù)和內(nèi)壁面接觸，液體會被氣泡破裂時(shí)的氣沫所氣化，從而導(dǎo)致整個(gè)組分都會被氣化，被氣化的氣體會繼續(xù)在管內(nèi)被加熱至263 K左右后由翅片管的上方流出，供給用戶端。2-80-8表示此規(guī)格翅片管；

(5)12翅片結(jié)構(gòu)，翅片高60 mm，翅片厚2 mm，管內(nèi)徑10 mm，管壁厚2 mm，管長14 m，下文用2-60-12表示此規(guī)格翅片管。

2 空溫式氣化器三維模型的建立

1.2 空溫式氣化器的工作原理

由于LNG在空溫式氣化器中的換熱情況特別復(fù)雜，其換熱的方式包含熱傳導(dǎo)、熱對流、熱輻射三種換熱方式。如果將所有因素都考慮在內(nèi)，模擬換熱的過程基本是不可能求解的。因此，為計(jì)算方便，只能按照影響程度的大小，從換熱器結(jié)構(gòu)和換熱特點(diǎn)著手，對模型進(jìn)行相應(yīng)的簡化，已達(dá)到能夠?qū)ζ溥M(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算的目的，從而對翅片管進(jìn)行優(yōu)化。現(xiàn)對換熱模型進(jìn)行簡化如下：

(1)管壁溫度與軸向成分段線性關(guān)系，管內(nèi)壁溫度已知，內(nèi)壁視為第一類換熱邊界條件；

(2)管外空氣側(cè)按大空間自然對流換熱模型處理；

(3)由于空溫式氣化器工作時(shí)間比較長，故可認(rèn)為換熱過程為穩(wěn)態(tài)過程；

(4)認(rèn)為在氣化器運(yùn)行中壓力恒定；

(5)空氣視為干空氣，外壁無結(jié)霜現(xiàn)象；

(6)管流近似為一維模型；

(7)忽略管壁的軸向?qū)帷?/p>

本文研究了5種尺寸結(jié)構(gòu)的星形翅片管，分別為：

(1)8翅片結(jié)構(gòu)，翅片高45 mm，翅片厚2 mm，管內(nèi)徑10 mm，管壁厚2 mm，管長14 m，下文用2-45-8表示此規(guī)格翅片管；

(2)8翅片結(jié)構(gòu)，翅片高60 mm，翅片厚2 mm，管內(nèi)徑10 mm，管壁厚2 mm，管長14 m，下文用2-60-8表示此規(guī)格翅片管；

(3)8翅片結(jié)構(gòu)，翅片高60 mm，翅片厚3 mm，管內(nèi)徑10 mm，管壁厚2 mm，管長14 m，下文用3-60-8表示此規(guī)格翅片管；

(4)8翅片結(jié)構(gòu)，翅片高80 mm，翅片厚2 mm，管內(nèi)徑10 mm，管壁厚2 mm，管長14 m，下文用

2.1 GAMBIT建模

由于翅片管長度為14 m，長徑比太長，如果將整根翅片管都用GAMBIT畫出并劃分網(wǎng)格(本文采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格)，網(wǎng)格數(shù)會過大，所以采用分段計(jì)算的方法，每段長度定為1 m。利用對稱的特點(diǎn)，取周向的1/n作圖(其中n為每根翅片管的翅片數(shù))。在GAMBIT中建立的模型及生成網(wǎng)格后的圖形如圖3所示。

圖3 翅片管

2.2 邊界條件

(1)翅片管內(nèi)壁為第一類邊界條件，編寫并調(diào)用UDF函數(shù)定義內(nèi)壁面溫度，給定分段線性溫度分布如圖4所示；

圖4 管壁與流體溫度隨翅片管軸向分布

(2)空氣側(cè)頂部為速度入口邊界；(3)空氣側(cè)底部為壓力出口邊界；(4)內(nèi)壁面設(shè)為固體壁面邊界。

2.3 求解器設(shè)置

本文對LNG空溫式氣化器翅片管進(jìn)行穩(wěn)態(tài)數(shù)值模擬，壓力速度耦合采用方法為SIMPLE算法，控制方程離散格式為二階迎風(fēng)格式，壓力插值采用PRESTO！，流動(dòng)模型為貼壁面層流，輻射模型采用P1模型，在FLUENT求解器中添加用戶自定義函數(shù)(UDF)來描述內(nèi)壁面溫度分布，計(jì)算過程遵循質(zhì)量守恒、動(dòng)量守恒和能量守恒定律。

對LNG在單根翅片管換熱過程進(jìn)行數(shù)值模擬，得到以下結(jié)果：

3.1 溫度場分布

常溫空氣經(jīng)翅片管空氣側(cè)頂部和側(cè)面進(jìn)入，由空氣側(cè)下部流出。溫度場分布如圖6、圖7所示。

圖5為2-45-8液相段XOY截面處溫度分布云圖：

圖5 2-45-8液相段XOY截面溫度分布

由圖5可見，由翅片管內(nèi)壁至外側(cè)空氣區(qū)域溫度依次升高，靠近外壁面處空氣平均溫度約250 K，距離翅片越遠(yuǎn)，空氣溫度越高，這是由于空氣自然對流作用，熱量由空氣傳給外壁面，再經(jīng)導(dǎo)熱傳給內(nèi)壁面。

圖6為2-45-8液相段Z軸方向溫度分布云圖：

圖6 2-45-8液相段YOZ截面溫度分布

由圖6可見，翅片由上向下溫度逐漸升高，這是由于翅片管內(nèi)側(cè)天然氣在流動(dòng)的同時(shí)被加熱，內(nèi)壁面溫度升高。

3.2 換熱量分析

3.2.1 不同規(guī)格翅片管的換熱量

表1 單根翅片管換熱量

(1)比較2-45-8、2-60-8、2-80-8三種規(guī)格翅片管，在其它條件不變的情況下，翅片高度越大，換熱量越大，但單位占地面積換熱量，單位質(zhì)量氣化器換熱量先增大后降低，翅片效率將降低。

(2)比較2-60-8、3-60-8兩種規(guī)格翅片管，其它條件不變的情況下，翅片厚度增加，換熱量略有增加，單位占地面積換熱量也略有增加，但單位質(zhì)量氣化器換熱量降低程度較大，氣化器的質(zhì)量大大增加，氣化器笨重，生產(chǎn)成本增高，所以在工藝允許情況下，翅片越薄越好。

(3)比較2-60-8、2-60-12兩種規(guī)格翅片管，其它條件不變的情況下，翅片數(shù)在可接受范圍內(nèi)增加，換熱量增加較大，單位占地面積換熱量增加較大，單位質(zhì)量翅片管換熱量降低，但降低幅度不大，所以為增大換熱量，增加翅片數(shù)是一個(gè)很好的辦法，但翅片數(shù)量增加，生產(chǎn)成本增加，加工困難度增大，而且翅片數(shù)量增加容易使壁面結(jié)霜，不適用于空氣濕度較大地區(qū)。

3.2.2 內(nèi)壁面溫度對換熱量的影響

在進(jìn)行三維建模時(shí)做過一個(gè)假設(shè)，認(rèn)為內(nèi)壁面溫度變化如圖4所示。圖4所示的溫度是針對某一具體尺寸的氣化器通過matlab編程得來。而對于不同尺寸的換熱器，其內(nèi)壁面溫度是略有不同的，本文研究的換熱量全部是在此內(nèi)壁面溫度分布的基礎(chǔ)上得來的，與真實(shí)值之間略有差別。下面將對內(nèi)壁面溫度調(diào)高5 K，再次通過Fluent模擬計(jì)算換熱量的大小，通過對比研究內(nèi)壁面溫度的偏差對換熱量造成的影響。

變換內(nèi)壁面溫度前后各種規(guī)格翅片管換熱量模擬計(jì)算結(jié)果對比如表2所示，

表2 變壁溫前后換熱量對比

壁溫變化對換熱量的影響分析：

(1)當(dāng)壁溫變化量相同時(shí)，隨著翅片管換熱量的增加，壁溫變化對其影響程度增大。

(2)如果壁溫降低5 K，內(nèi)外溫差減小，5種規(guī)格翅片管中2-60-12換熱量降低最多，為4.76%，影響程度較小。由此可知，模擬出的數(shù)值符合理論，溫度變化不大，對比較各種規(guī)格氣化器的換熱性能影響極小，所以以上基于一個(gè)尺寸對應(yīng)的內(nèi)壁溫所模擬出的結(jié)果能夠作為優(yōu)化翅片管的依據(jù)。

4 結(jié)語

本文通過對五種不同尺寸空溫式氣化器翅片管的分段數(shù)值模擬，得出每種尺寸翅片管溫度場的分布以及它們的換熱量。由換熱量的大小比較，單位占地面積換熱量的比較，單位質(zhì)量氣化器換熱量的比較，分析不同的影響因素，如翅片厚度、翅片高度以及翅片數(shù)是如何影響氣化量的大小及生產(chǎn)成本與占地面積的。

由表1可清晰地看出五種尺寸的翅片管的換熱量，換熱量由大到小的順序分別為：2-60-12、2-80-8、3-60-8、2-60-8和2-45-8。由此可得翅片高度越大，厚度越大，每根翅片管翅片數(shù)越多，氣化量會越大。其中，翅片數(shù)量對換熱量的影響最大，但是翅片數(shù)量會受鑄造工藝、空氣濕度的限制。翅片高度越大，換熱量越大，但單位占地面積換熱量，單位質(zhì)量氣化器換熱量是先增大后降低，翅片效率將降低，對于不同長度的翅片管，翅片高度均有一個(gè)最優(yōu)值，且這個(gè)最優(yōu)值可通過本文使用的FLUENT數(shù)值模擬方法給出。翅片厚度，對于換熱量的影響不大，增加翅片厚度換熱量增加量很小，單位占地面積換熱量略有增加，但單位質(zhì)量氣化器換熱量降低程度很大，總質(zhì)量增加較大，氣化器笨重，生產(chǎn)成本增高，所以在工藝允許情況下，翅片不宜太厚。

Numerical Analysis of Heat Transfer Process in LNG Ambient Air Vaporizer

North China Municipal Engineering Design & Research Institute Zhang Shutang
Thermal Energy and Environmental Engineering Institute Tongji University Zhang Jie

By selecting five common different sizes of finned tubes and using the research method of numerical simulation to simulate the temperature field of single finned tube, calculate single structure of different sizes finned tube heat exchange and analyze the main factors of size affecting the heat transfer, floor area and weight, the optimization scheme of ambient air vaporizer is proposed,

LNG, ambient air vaporizer, numerical simulation, heat transfer