韓昌亮，任婧杰，王焱慶，董文平，畢明樹

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SCV耦合傳熱特性實驗研究與數(shù)值模擬

韓昌亮，任婧杰，王焱慶，董文平，畢明樹

（大連理工大學(xué)化工機械學(xué)院，遼寧大連 116024）

浸沒燃燒式汽化器（SCV）是液化天然氣（LNG）接收站中一種必不可少的換熱設(shè)備，主要通過水浴系統(tǒng)作為中間介質(zhì)實現(xiàn)煙氣與LNG之間的熱量傳遞。搭建一套完整的SCV流動換熱實驗平臺，對其內(nèi)部復(fù)雜的傳熱特性進行研究?？梢暬瘜嶒灲Y(jié)果揭示了汽化器內(nèi)部一些獨特的流體動力學(xué)現(xiàn)象（局部水浴結(jié)冰等），同時通過建立的氣液兩相混合物與跨臨界LNG耦合傳熱計算模型得到了換熱管束內(nèi)外局部流體溫度和局部傳熱系數(shù)分布曲線，并分析了LNG進口壓力、LNG入口速度、初始水位高度以及煙氣進氣量對NG出口溫度和水浴溫度的影響規(guī)律。研究成果能夠為SCV國產(chǎn)化設(shè)計提供重要參考。

浸沒燃燒式汽化器；LNG；實驗；流動；傳熱；水浴溫度；數(shù)值模擬

引 言

隨著我國液化天然氣(LNG)進口量逐年增加，人們對于接收站中的汽化設(shè)備愈發(fā)關(guān)注。據(jù)了解，國內(nèi)接收站在役LNG汽化器主要有開架式汽化器(ORV)、浸沒燃燒式汽化器（SCV）和中間介質(zhì)型汽化器（IFV）等[1]。其中，SCV是一種利用浸沒燃燒技術(shù)輔以多相流換熱和跨臨界換熱技術(shù)開發(fā)的新型高效換熱設(shè)備，具有結(jié)構(gòu)緊湊、操作靈活和換熱效率高等優(yōu)點[2]，廣泛用于接收站調(diào)峰系統(tǒng)。

SCV運行時，燃料氣和空氣的混合氣在燃燒室內(nèi)被點燃，產(chǎn)生的高溫?zé)煔馔ㄟ^氣體分布器排入到水箱中，與水浴實現(xiàn)直接接觸式換熱，高速湍動的水浴將煙氣熱量傳遞給換熱管束中的LNG。由于接收站工藝要求，通常需要對LNG進行加壓處理，導(dǎo)致SCV管程操作壓力一般大于其臨界壓力。LNG在盤管內(nèi)經(jīng)歷了由液態(tài)到超臨界態(tài)的工藝轉(zhuǎn)化[3]。由于煙氣攜帶的能量基本能滿足LNG汽化所需熱量，水浴溫度基本保持恒定[4]。圖1給出了典型SCV內(nèi)部流體溫-熵圖。SCV傳熱過程主要包括兩個環(huán)節(jié)，即管外氣液兩相流橫掠管束換熱和管內(nèi)跨臨界LNG強制對流換熱。本研究內(nèi)容為二者耦合傳熱過程。

目前，國內(nèi)外學(xué)者針對SCV流體傳熱性能報道較少。Park等[5]利用最小熵增方法在恒定壁面溫度和恒定熱通量假設(shè)條件下給出了汽化器優(yōu)化設(shè)計方法。齊超等[6]利用簡化的一維傳熱模型分析了某SCV不同工況下的運行特性。李仲珍等[7]、張康等[8]和靳書武等[9]利用CFD數(shù)值模擬方法對換熱管內(nèi)跨臨界LNG傳熱特性進行探討，研究了不同操作參數(shù)對流體傳熱系數(shù)的影響規(guī)律。李泓鈺[10]以常溫水為管程換熱介質(zhì)，對水浴及排煙特性進行了實驗研究。然而上述研究均基于一定假設(shè)條件，得到的結(jié)論往往無法直接適用于實際SCV。同時，國內(nèi)使用的SCV均是從日本和德國進口[11]，因此研究其耦合傳熱過程對我國LNG事業(yè)已經(jīng)迫在眉睫。

本工作首先搭建一套完整的可視化SCV傳熱性能測試平臺，針對其內(nèi)部復(fù)雜的換熱特性進行實驗研究，并且基于觀察到的現(xiàn)象建立耦合求解煙氣與水浴兩相混合物和跨臨界LNG之間耦合傳熱模型，對不同操作工況下SCV運行特性進行了分析?？蔀镾CV工程設(shè)計提供大量基礎(chǔ)性數(shù)據(jù)。

1 SCV可視化實驗系統(tǒng)

1.1 實驗系統(tǒng)

如圖2所示，本實驗系統(tǒng)主要由浸沒燃燒器、水箱、煙氣分布器、換熱管束、低溫增壓泵、杜瓦罐和測量系統(tǒng)等組成。有關(guān)實驗臺具體尺寸見文獻[12]。需要指出的是，出于安全考慮，實驗過程中利用跨臨界液氮（LN2）替代LNG作為管程介質(zhì)。煙氣進出口溫度、管程流體進出口溫度、水浴溫度和換熱管壁面溫度采用PT100熱電阻進行測量。管程操作壓力由壓力變送器進行實時記錄。LN2流量由高壓旋進渦旋流量計測得。另外，在水箱和圍堰前后側(cè)開有透明視窗，采用高速攝像機(FASTCAM SA4)觀察殼程流體流動狀態(tài)。

1—air blower; 2—volumetric flow meter; 3—ignition system; 4—needle valve; 5—flue tank (CH4); 6—submerged burner; 7—exhaust stack; 8—computer; 9—relief valve; 10—high-pressure ball valve; 11—vortex flowmeter; 12—one-way valve; 13—water tank; 14—weir; 15—flue gas distributor; 16—ball valve; 17—booster pump; 18—dewar; 19—high-speed camera

1.2 實驗結(jié)果分析

圖3顯示了SCV殼程流場。從拍攝結(jié)果來看，SCV在開車啟動階段局部水浴出現(xiàn)了結(jié)冰現(xiàn)象，結(jié)冰部位主要位于底部換熱管區(qū)域和進液總管處。這一方面是因為在該區(qū)域內(nèi)管內(nèi)流體溫度極低（大約110 K），管外煙氣熱量無法滿足管內(nèi)流體升溫需求，導(dǎo)致局部水浴溫度急劇下降至冰點以下。另一方面是由于煙氣對水浴擾動作用較弱，水浴出現(xiàn)了局部流動“死區(qū)”，此時應(yīng)調(diào)整系統(tǒng)參數(shù)來消除結(jié)冰現(xiàn)象。因為如果換熱管壁面長期存在絕熱邊界條件，將導(dǎo)致系統(tǒng)換熱量大大降低。同時可以看出水浴中存在有大量換熱氣泡，煙氣與水浴之間以及兩相混合物與管壁之間均發(fā)生直接接觸式傳熱，水浴換熱效率極高[13]。這種狀態(tài)保證了煙氣能將其攜帶的顯熱和水蒸氣冷凝的潛熱全部傳遞給水浴。最終殼程形成了氣液兩相流橫掠管束流動形態(tài)。

表1給出了典型SCV運行實驗數(shù)據(jù)?？梢钥闯?，管程入口壓力大于LN2臨界壓力，而且管程流體出口溫度遠(yuǎn)大于LN2臨界溫度，因此LN2實現(xiàn)了跨臨界汽化工藝。在給定燃料量和助燃空氣量條件下，管程出口溫度和殼程對流傳熱系數(shù)隨初始水位高度增加呈現(xiàn)先升高后降低趨勢。當(dāng)水位高度從300 mm增至400 mm時，管程流體出口溫度升高了6 K左右。但是，當(dāng)水位高度繼續(xù)增加到450 mm時，出口流體溫度反而降低了4 K。因此，在該進氣量條件下最佳匹配初始水位高度為400 mm。水浴溫度隨初始水位高度增加單調(diào)降低。

表1 SCV運行實驗數(shù)據(jù)

2 SCV耦合傳熱特性數(shù)值模擬

2.1 跨臨界LNG物性分析

LNG為多組分混合物，其主要成分是CH4。本研究使用的LNG組分含量見表2。LNG臨界壓力和臨界溫度分別為4.55 MPa和190.4 K，管程操作壓力一般為5～10 MPa，進出口溫度為118～274 K，因此掌握跨臨界LNG物性對分析SCV換熱過程至關(guān)重要。圖4給出了利用REFPROP軟件[14]得到的LNG物性曲線。可以看出，在一定壓力下比熱容隨溫度升高先增大后減小，在臨界溫度附近達到最大值。并且隨壓力增大比熱容峰值變小。密度、熱導(dǎo)率和黏度均隨溫度升高而下降，在臨界點附近下降斜率最大。

表2 LNG各組分含量

2.2 物理模型

為了更好地反映SCV管束特征，本研究在構(gòu)建物理模型時選取兩根蛇形換熱管為管程計算區(qū)域，建立了如圖5所示的三維物理模型，此外還包括水箱、煙氣分布器和圍堰等。模型尺寸見表3。

2.3 數(shù)學(xué)模型與網(wǎng)格劃分

采用VOF多相流模型與組分輸運模型相結(jié)合方法描述煙氣和水浴兩相混合物與換熱管束之間的傳熱。限于篇幅原因，相關(guān)的控制方程不再贅述，具體數(shù)學(xué)方程可以參見本題課組之前的工作[15-16]。

表3 計算區(qū)域主要幾何參數(shù)

采用Gambit軟件對圖5計算區(qū)域進行劃分。為保證計算精度，首先對其進行分塊處理，除分布器排氣孔附近和彎管處采用非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格外，其余部分均采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格。劃分情況如圖6所示。以0.001、0.002、0.004 m 3種不同網(wǎng)格尺度對管程局部LNG升溫情況進行考察，以此驗證網(wǎng)格獨立性。發(fā)現(xiàn)采用后兩種網(wǎng)格時模擬計算結(jié)果十分接近，最終采用0.002 m的網(wǎng)格尺寸，整個模型網(wǎng)格約為660萬個。

2.4 邊界條件與計算方法

采用商業(yè)軟件Fluent14.5對非穩(wěn)態(tài)傳熱過程進行數(shù)值計算。管程入口為速度入口邊界(t,in=120 K)，管程出口為壓力出口邊界。煙氣入口為速度入口邊界 (s,in=973 K)，煙氣出口為壓力出口邊界。換熱管定義為Coupled邊界條件。其余各面為無滑移絕熱條件。計算區(qū)域前、后面均為Symmetry條件，以便該模型可以代表整個SCV管束區(qū)域。

選取PISO算法進行壓力速度耦合求解、Geo-Reconstruct方法追蹤兩相流體界面，壓力項選擇Body Force Weighted 進行離散。松弛因子采用默認(rèn)值，動量方程和能量方程采用二階迎風(fēng)格式進行迭代，時間步長選為5×10-5s。當(dāng)NG出口溫度和水浴溫度不隨時間變化時，近似認(rèn)為計算工況收斂。

本研究涉及的管內(nèi)局部傳熱系數(shù)和管外局部傳熱系數(shù)計算公式如下

(2)

式中，wi和wo分別為作用在管束內(nèi)、外壁面的熱通量，wi和wo分別為管束內(nèi)、外壁面溫度，L和b分別為局部LNG溫度和水浴溫度。

2.5 模擬結(jié)果與實驗數(shù)據(jù)對比驗證

圖7給出了初始水位高度為400 mm、煙氣量為60 m3·h-1、管程入口壓力為4.5 MPa時模擬得到的管程流體出口溫度與實驗值對比結(jié)果?？梢钥闯龆咦兓厔莼鞠嗤?。實驗中管程入口流量由45kg·h-1增至108kg·h-1時，管程流體出口溫度從304.0 K下降到272.7 K，相應(yīng)的數(shù)值模擬結(jié)果為從298.6 K下降到261.2 K。數(shù)值模擬結(jié)果低于實驗值，兩者誤差在±20%以內(nèi)。分析原因，主要是數(shù)值模擬中忽略了熱損失和煙氣熱輻射傳熱，并且忽略了管程壓力降對流體物性的影響?？紤]到SCV耦合傳熱過程的復(fù)雜性，該模擬精度滿足工程需求。因此可以利用以上模型開展進一步耦合傳熱分析。

表4 SCV數(shù)值模擬主要參數(shù)

3 結(jié)果與討論

3.1 SCV基本傳熱特性分析

本研究首先以表4工況為例對SCV基本傳熱特性進行分析。圖8～圖10分別顯示了SCV管程溫度云圖、殼程流場和殼程溫度云圖。

從圖8可以看出管程LNG進、出口溫度分別是120 K和273 K，出口溫度高于汽化器基本需求。這是因為高效水浴系統(tǒng)將煙氣攜帶的熱量傳遞給管內(nèi)LNG，使其完成了從液態(tài)到超臨界態(tài)的轉(zhuǎn)化。由于LNG在換熱管內(nèi)不斷吸熱膨脹，其速度逐漸增加，該工況下進、出口速度分別為0.1 m·s-1和2.0 m·s-1。圖9顯示了殼程流場，可見在煙氣噴入水浴后圍堰內(nèi)產(chǎn)生了很多尺寸不一的換熱氣泡（藍(lán)色和紅色分別代表氣體和液態(tài)水），氣泡群對水浴的擾動作用非常強烈。過熱氣泡的存在不僅加大了氣液兩相之間的接觸面積，也增強了近壁面處兩相混合物與管壁對流傳熱效果，這一流體動力學(xué)現(xiàn)象是SCV殼程熱交換機理所在。圖10顯示了殼程溫度云圖，高溫?zé)煔鈬娙胨『鬁囟妊杆傧陆?，水蒸氣遇冷釋放的潛熱主要集中在該區(qū)域。水浴吸收了煙氣的熱量，又很快將熱量傳遞給管束內(nèi)LNG，最終導(dǎo)致水浴除了在煙氣分布器處附近存在一定高溫區(qū)外其余區(qū)域溫度基本恒定。該結(jié)果與文獻[3]中的結(jié)論基本一致。

從圖11可知，管內(nèi)局部傳熱系數(shù)沿管長方向先增大后減小，傳熱系數(shù)在準(zhǔn)臨界點處達到最大值，原因是在擬臨界區(qū)域LNG比定壓熱容達到最大值，對傳熱起到了加強作用[17]。而殼程傳熱系數(shù)呈現(xiàn)出一定的波動趨勢，平均殼程傳熱系數(shù)可以達到4950 W·m-2·K-1，這是因為大量氣泡不斷擾動水浴，同時氣液兩相混合物以較高速度沖刷管束，使得SCV殼程換熱效率很高，同一截面處管外傳熱系數(shù)幾乎是管內(nèi)傳熱系數(shù)的2倍，因此SCV換熱熱阻主要存在于管內(nèi)，該工況下SCV整體傳熱系數(shù)可以達到850 W·m-2·K-1。此外還可以發(fā)現(xiàn)管內(nèi)傳熱系數(shù)在彎管區(qū)域均會出現(xiàn)突變，這是因為LNG在流經(jīng)彎管時在離心力作用下出現(xiàn)了二次流現(xiàn)象[18]，該現(xiàn)象有助于減薄流體熱邊界層厚度，提高流體傳熱系數(shù)，所以彎管區(qū)域流體傳熱系數(shù)大于直管段。

圖12顯示LNG溫度、管內(nèi)外壁溫度均沿流動方向單調(diào)升高。特別地，在<1.15 m時，LNG為純液態(tài)，比定壓熱容較小，熱導(dǎo)率較大，因此在該區(qū)域內(nèi)流體升溫較快。在1.15 m<<3.5 m時，LNG處于超臨界區(qū)域，其熱導(dǎo)率和比定壓熱容均較小，升溫速率相比液態(tài)時慢一些。在整個換熱管區(qū)域內(nèi)，對于管壁溫度而言，沒有明顯的階躍存在，這主要歸功于管外相對均勻的氣泡分布和管內(nèi)跨臨界LNG的良好流動換熱性能。換熱管內(nèi)外壁溫差以及內(nèi)壁與LNG之間溫差沿管長方向逐漸減小，這是因為越接近管程出口LNG升溫所需熱量越小，作用于管壁的熱通量也越小。除此之外，殼程局部水浴溫度基本保持不變。在該工況下煙氣出口溫度為295 K，所以SCV內(nèi)部流體溫度滿足以下順序：煙氣出口溫度>水浴溫度>NG出口溫度。

3.2 LNG進口壓力對傳熱的影響

不同LNG進口壓力主要影響管內(nèi)流體熱物性。本研究對5.43、6.93、8.38、9.55 MPa 4種不同進口壓力下LNG升溫特性及水浴溫度進行了分析。

圖13顯示了不同LNG進口壓力對SCV傳熱特性的影響。從圖13可知，在<0.75 m和2.5 m<<3.5m時，LNG溫度基本不隨LNG進口壓力改變而發(fā)生變化。而在擬臨界區(qū)域，壓力越高，LNG比定壓熱容峰值越小，局部傳熱系數(shù)也越小，因此LNG升溫更快。壓力升高，NG出口溫度略微升高。當(dāng)其他參數(shù)保持不變時，水浴溫度基本不隨LNG進口壓力變化而改變。當(dāng)LNG進口壓力從5.65 MPa增加到9.35 MPa時，水浴溫度改變了0.35 K。

3.3 LNG進口速度對傳熱的影響

LNG進口速度不同將產(chǎn)生不同的管內(nèi)流動狀態(tài)。本研究對0.05、0.10、0.15、0.20 m·s-14種不同LNG進口速度下管內(nèi)LNG溫度分布及水浴溫度進行了分析。

圖14顯示了不同LNG進口速度對SCV性能的影響?？梢钥闯觯S著LNG進口速度的增加，在同一截面上LNG溫度變小。這是因為，LNG進口速度增加，換熱管內(nèi)流體湍流作用加劇，有助于減薄流體熱邊界層厚度，增大表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)[19]，因此LNG進口速度增加可以有效地加強傳熱。NG出口溫度隨LNG進口速度增加呈現(xiàn)逐漸降低趨勢。另外，LNG進口速度增加意味著LNG將從殼程水浴吸收更多熱量，所以管外水浴溫度逐漸下降。經(jīng)計算，LNG進口速度從0.05 m·s-1增加到2 m·s-1時，水浴溫度下降了8 K。

3.4 初始水位高度對傳熱的影響

在給定煙氣量情況下，不同初始水位高度主要影響殼程傳熱面積。本研究對300、350、400、450 mm 4種不同初始水位高度下管內(nèi)LNG升溫情況和水浴溫度進行了分析。

圖15顯示了不同初始水位高度對SCV性能的影響。可以看出，隨著初始水位高度的增加 (300～400 mm)，管內(nèi)LNG升溫加快。這是因為殼程傳熱面積增加導(dǎo)致LNG更容易從水浴系統(tǒng)中吸收來自煙氣的熱量。當(dāng)初始水位高度增加到450 mm時，水浴系統(tǒng)的體積過大，使其受到煙氣的擾動程度減弱，LNG吸收到的熱量減少，最終導(dǎo)致管程NG出口溫度下降。由于水浴體積的增加，同樣煙氣熱量進入水浴后，水浴溫度呈現(xiàn)單調(diào)遞減趨勢。

3.5 煙氣量對傳熱的影響

在給定初始水位高度情況下，不同煙氣進氣量主要影響水浴中含氣率和水浴流動傳熱狀態(tài)。本研究對45、65、88、110 m3·h-14種不同煙氣量下管程LNG升溫情況和水浴溫度進行了分析。

圖16顯示了不同煙氣量對系統(tǒng)性能的影響。在一定范圍內(nèi)，隨著煙氣量的增加，管內(nèi)LNG升溫更迅速。這是因為，進氣量增加，水浴內(nèi)部氣含率加大，有助于加劇水浴湍流程度和減薄流體邊界層，煙氣的熱量更容易傳遞給管內(nèi)LNG。繼續(xù)增加煙氣量，導(dǎo)致殼程氣含率和不凝性氣體含量過大，水浴與管壁接觸面積急劇減小，殼程傳熱過程主要受氣體支配，而氣體與管壁之間傳熱能力遠(yuǎn)小于液體與管壁之間[20]，水浴出現(xiàn)傳熱惡化現(xiàn)象，導(dǎo)致NG出口溫度下降。而煙氣量增加意味更多熱量被輸入到水浴中，因此水浴溫度逐漸升高。

4 結(jié) 論

采用實驗與數(shù)值模擬相結(jié)合方法對SCV內(nèi)部流體耦合傳熱特性進行研究，利用實驗數(shù)據(jù)驗證了模型的可靠性，得到的主要結(jié)論如下。

（1）由于管程流體超低溫特性，SCV進液總管和底部換熱管附近水浴極易形成冰層，實際SCV操作中應(yīng)調(diào)整好系統(tǒng)參數(shù)來消除結(jié)冰現(xiàn)象。這是因為如果長期存在冰層會導(dǎo)致系統(tǒng)換熱量大大降低。

（2）管內(nèi)LNG局部傳熱系數(shù)沿管長方向先增加后減小，在擬臨界點附近達到最大值。管外局部傳熱系數(shù)由于大量氣泡的擾動作用呈現(xiàn)波動趨勢。同一截面上，管外傳熱系數(shù)遠(yuǎn)大于管內(nèi)傳熱系數(shù)，換熱熱阻主要存在于管束內(nèi)部。SCV換熱管束壁溫沒有明顯的階躍現(xiàn)象。

（3）水浴溫度是SCV運行過程中一個重要參數(shù)，需要將其控制在合理范圍內(nèi)。模擬結(jié)果顯示，水浴溫度隨初始水位高度和進口LNG速度增加而降低，隨煙氣量增加而升高。在一定參數(shù)范圍內(nèi)，管程入口壓力對水浴溫度影響較小。優(yōu)化后的煙氣量和水位高度可以使得NG出口溫度和水浴溫度滿足運行要求。

符 號 說 明

cp——比定壓熱容，kJ·kg-1·K-1 H ——初始水位高度，mm K——傳熱系數(shù)，W·m-2·K-1 L——管長，m p ——壓力，MPa Q ——質(zhì)量流量，kg·h-1 q ——壁面熱通量，kW·m-2 s——熵，J·g-1·K-1 T ——溫度，K V ——體積流量，m3·h-1 v ——速度，m·s-1 l——熱導(dǎo)率，W·m-1·K-1 m——黏度，Pa·s r——密度，kg·m-3 下角標(biāo) a——空氣 b——水浴 cr——臨界 f ——燃料 fg ——煙氣 in ——進口 L——局部 out ——出口 pc——擬臨界 s ——殼程 t ——管程 wi ——內(nèi)壁面 wo ——外壁面

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Experimental study and numerical simulation on coupled heat transfer characteristics of submerged combustion vaporizer

HAN ChangliangREN JingjieWANG YanqingDONG WenpingBI Mingshu

(School of Chemical Machinery, Dalian University of Technology, Dalian 116024, Liaoning, China)

Submerged combustion vaporizer is indispensable heat exchanger equipment for liquefied natural gas (LNG) receiving terminals, it mainly utilizes water bath system as intermediate media to achieve heat transfer between flue gas and LNG. In this work, an unabridged experimental apparatus is built to study the complex heat transfer characteristics of it. Experimental results reveal some unique fluid dynamic phenomena inside SCV system (local water bath freezes). Meanwhile, the simulated model is established for coupled flow and heat transfer process between two-phase mixture and trans-critical LNG. The influences of inlet LNG pressure, inlet LNG velocity, static water height, flue gas flux on the NG outlet temperature and water bath temperature are analyzed. The outcomes can provide some important guidance to localization design of SCV.

submerged combustion vaporizer; LNG; experiment; flow; heat transfer; water bath temperature; numerical simulation

10.11949/j.issn.0438-1157.20160973

TE 088

A

0438—1157（2017）03—0854—10

中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費專項資金項目（DUT16QY29）。

2016-07-11收到初稿，2017-01-27收到修改稿。

聯(lián)系人：畢明樹。第一作者：韓昌亮（1987—），男，博士研究生。

2016-07-11.

Prof. BI Mingshu, bimsh@dlut.edu.cn

supported by the Fundamental Research Funds for the Central Universities (DUT16QY29).