任金平 于春柳 陳 兵 張 琪 馬政足 鄢強強

(1 隴東學院化學化工學院 慶陽 745000)

(2 寧夏天利豐能源利用有限公司 吳忠 751000)

(3 陜西梓存新能源科技有限公司 渭南 714000)

1 引 言

隨著全球清潔能源需求量的快速增長和各國低碳化發(fā)展戰(zhàn)略的深入推進,天然氣作為一種優(yōu)質(zhì)、清潔、高效的化石能源,成為21 世紀能源結(jié)構(gòu)優(yōu)化的重要發(fā)展對象。在天然氣的使用過程中,液化天然氣(LNG)以其特有的運輸、貯存、安全等優(yōu)勢,近年來市場規(guī)模不斷擴大,已成為推動全球天然氣消費量增長的重要力量。開架式氣化器作為LNG 使用的配套設(shè)備,以海水為熱源,通過海水與換熱管之間的換熱,將LNG 氣化成具有一定溫度和壓力天然氣的裝置,目前得到廣泛關(guān)注。

Morimoto 等[1]對開架式氣化器傳熱管結(jié)構(gòu)、工作原理和傳熱特性進行了研究;王萌等[2]建立整體換熱過程傳熱計算模型,描述氣化段和加熱段傳熱過程,并進行數(shù)值模擬,得到各個局部表面換熱系數(shù)和溫度分布曲線,并推導出傳熱管總換熱系數(shù)和熱流密度的分布曲線;Deng Z A 等[3]發(fā)現(xiàn)十字形擾流桿的應(yīng)用對換熱管換熱性能有影響,使其換熱效率提高;Negoescu C C 等[4]和成赫等[5-6]以液氮代替LNG,分別采用數(shù)值模擬和實驗研究的方法對豎直管內(nèi)超臨界氮換熱特性進行分析,研究了氮入口壓力、水溫、水流量、不同管型、質(zhì)量流量、熱流密度等參數(shù)對換熱的影響;潘杰等[7]針對氣化傳熱過程建立基于能量平衡的分布參數(shù)模型,通過數(shù)值模擬獲得流體和管壁溫度以及對流傳熱系數(shù)分布特性,分析運行參數(shù)和結(jié)構(gòu)對傳熱特性的影響;許燕等[8]應(yīng)用HYSYS 軟件研究LNG 流量、天然氣管網(wǎng)壓力、海水溫度等因素擾動變化時,天然氣出口溫度、海水出口溫度、海水進出口溫差、換熱量、換熱器平均溫差等主要操作參數(shù)的動態(tài)響應(yīng)趨勢;呂國政[9]等對加熱段的復雜流道進行數(shù)值模擬研究,得到插入不同參數(shù)擾流桿的換熱管各工況下表征對流換熱強度的努塞爾數(shù)和阻力特征的摩擦因子。

盡管上述各成果從不同方面對超級開架式氣化器理論問題進行了研究,為實際工程應(yīng)用奠定了一定基礎(chǔ),但是對開架式氣化器從剛開始工作的預冷到隨后持續(xù)進行的穩(wěn)定換熱過程中,換熱管內(nèi)流體傳熱過程未做詳細研究,且如何在熱量交換過程中得到較高的換熱效率,仍然是實現(xiàn)過程工業(yè)中節(jié)能降耗面臨的主要問題。因此,本研究擬采用數(shù)值模擬的方法,對開架式氣化器換熱管內(nèi)流體的換熱過程進行數(shù)值模擬,并對反映氣化器性能的結(jié)果進行分析和討論,以期為開架式氣化器縮短預冷時間,提高預冷效率,減小海水用量,降低運行成本提供參考,促進LNG 產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展。

2 換熱管結(jié)構(gòu)及工作過程

本研究用換熱管結(jié)構(gòu)如圖1 所示。為了強化換熱,換熱管內(nèi)外壁面設(shè)置了翅片,換熱管內(nèi)壁面設(shè)置有8 個圍繞管體向中心以輻射狀均布的內(nèi)翅片;換熱管外壁面前后設(shè)置互相對稱的5 個外翅片,中間外翅片的翅根和翅尖高,兩端外翅片翅根和翅尖低,且兩邊外翅片的翅根和翅尖關(guān)于中間外翅片對稱。開架式氣化器由若干換熱管束板組成,而管板束由多根相同的換熱管之間焊接,且兩端分別與集液管和集氣管焊接構(gòu)成,可見換熱管是開架式氣化器的基本換熱單元,為了省略換熱管與換熱管之間的焊接環(huán)節(jié),換熱管外壁面左右設(shè)置有肋,左肋帶有矩形槽,槽寬略大于右肋厚度,安裝時一根換熱管的右肋裝配到另一根換熱管左肋的矩形槽內(nèi),便于安裝定位。

圖1 換熱管結(jié)構(gòu)圖1.左肋;2.外翅片;3.內(nèi)翅片;4.右肋。Fig.1 Diagram of heat transfer tube structure

實際工作時LNG 走換熱管內(nèi),從集液管中逐一流進每根換熱管內(nèi),在管內(nèi)自下向上流動,被分為加熱段、氣化段和過熱段3 個階段;海水走換熱管外,通過海水分布器,以水膜的形式緊貼換熱管外壁面,依靠重力的作用,自上而下沿著換熱管外壁流動。通過換熱管的換熱作用,海水將熱量傳遞給管內(nèi)LNG,LNG 經(jīng)過氣化后達到出口設(shè)計溫度的天然氣,流入頂部集氣管,然后進入輸送管網(wǎng)。

3 物理模型和邊界條件

開架式氣化器換熱管加熱段與外部環(huán)境溫差最大,預冷過程中存在著復雜的兩相流及傳熱過程,流體流態(tài)也會發(fā)生劇烈變化;大量研究表明加熱段換熱管換熱性能高低對開架式氣化器整體換熱性能起著決定性的作用,壁面結(jié)冰現(xiàn)象首先也從該段開始,最大結(jié)冰高度可達到454 mm;開架式氣化器所有換熱管結(jié)構(gòu)相同,可取一根進行研究?；谏鲜隹紤],本研究用Proe5.0 軟件建立從LNG 入口端面開始,長度為1 000 mm 的單根換熱管加熱段三維物理模型,海水膜厚度分別取2 mm、4 mm、6 mm 和8 mm。

采用 ANSYS Workbench 軟件自帶的 ANSYS ICEM-CFD 對建立的換熱管三維模型進行計算網(wǎng)格劃分,為了確保計算速度和收斂精度,采用四面體非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分方式,對流體與固體接觸面網(wǎng)格進行適當加密,用軟件自帶的流體分析(FLUENT)模塊對劃分好的網(wǎng)格模型進行有限元分析,數(shù)值模擬開架式氣化器換熱管預冷過程。由于換熱過程復雜,為了計算的方便,對邊界條件和初始計算條件作適當假設(shè)及簡化處理:(1)海水膜與換熱管外壁之間接觸緊密,無接觸熱阻;(2)LNG 看作液態(tài)甲烷,選用液態(tài)甲烷物性參數(shù);(3)假定LNG 為不可壓縮流體,天然氣作Boussinesq 假設(shè)處理;(4)海水膜厚度統(tǒng)一,內(nèi)部均勻一致,與外界環(huán)境無質(zhì)量和熱量的交換;(5)換熱管材料選擇鋁合金SB221-6063,忽略溫度對鋁合金導熱率等物性參數(shù)的影響。LNG、海水、6063 鋁合金物性參數(shù)見表1,LNG 從底端進入換熱管內(nèi)部,自下向上流動,沿管程不斷加熱,氣化后的天然氣由頂端輸出,海水從頂端開始,沿換熱管外壁從上向下流動,開架式氣化器工藝操作參數(shù)見表2,海水膜與換熱管邊界、LNG 和天然氣與換熱管邊界均設(shè)置為耦合邊界。

表1 LNG、海水、6063 鋁合金物性參數(shù)Table 1 Physical property parameter of LNG,seawater and 6063 aluminum alloy

表2 開架式氣化器工藝操作參數(shù)Table 2 Operation parameters of superORV process

4 模擬結(jié)果及分析

4.1 溫度場隨時間變化過程

圖2 為換熱管內(nèi)流體溫度場分布云圖,其中圖2a、圖2b、圖2c、圖2 d 分別為1 s、2 s、3 s 和5 s 時換熱管內(nèi)流體溫度場分布云圖,圖中從上到下每行換熱管外海水膜厚度分為2 mm、4 mm、6 mm 和8 mm,從左到右每列分別為距離 LNG 入口端200 mm、400 mm、600 mm、800 mm 和1 000 mm 處換熱管內(nèi)流體截面溫度場分布云圖。從圖中可以看出,所有換熱管內(nèi)流體截面溫度場分布上下對稱,左右不對稱,這是因為換熱管上有左右肋,右肋設(shè)置有槽道,使換熱管左右結(jié)構(gòu)不稱,影響換熱管內(nèi)流體截面溫度場分布。從1 s 到5 s,換熱管內(nèi)流體溫度場分布逐漸趨于穩(wěn)定,1 s、2 s 和3 s 的流體溫度場分布云圖有差異,3 s和5 s 的流體溫度場分布云圖一樣,這是因為換熱管開始工作時存在預冷過程所致,說明1 s 到2 s 為換熱管的預冷過程,將該過程換熱稱為非穩(wěn)定換熱,3 s時換熱管內(nèi)流體與換熱管之間的換熱已穩(wěn)定,將3 s以后的換熱管換熱稱為穩(wěn)定換熱,當海水膜流速為1 m/s,LNG 流速為0.6 m/s 時,換熱管預冷時間為2 s。距離LNG 進口端越近,換熱管內(nèi)流體截面溫差越大,中心處溫度最低,沿徑向逐漸升高,靠近翅片處流體溫度最高,同樣距離LNG 進口端越近,溫度分層現(xiàn)象越明顯,距離LNG 進口端越遠,換熱管內(nèi)流體溫度逐漸趨于統(tǒng)一。在非穩(wěn)定換熱階段,對比相同海水膜厚度不同截面處流體溫度場分布云圖可以看出,無論海水膜取多厚,距離LNG 進口端400 mm 處流體最低溫度均已大于127.9 K,說明此處LNG 已經(jīng)全部氣化;對比同一截面不同海水膜厚度流體溫度場分布云圖可以看出,海水膜厚度越厚,流體平均溫度越高,距離LNG 進口端1 000 mm 處,隨著海水膜厚度的增加,接近海水膜入口溫度的流體量越多。在穩(wěn)定換熱階段,不同海水膜厚度對應(yīng)流體溫度場分布云圖幾乎一樣,說明穩(wěn)定換熱階段海水膜厚度對換熱管內(nèi)流體溫度場分布無影響,即對換熱管內(nèi)流體傳熱特性無影響。由此可見,開架式氣化器在實際運行過程中,開始時可以采用增大海水膜厚度和流速的措施縮短預冷時間,提高預冷效率,預冷結(jié)束進入穩(wěn)定換熱后可以減小海水膜厚度和流速,降低運行成本。

4.2 速度場隨時間變化過程

圖3 為換熱管內(nèi)流體速度場分布云圖,圖的布置形式和圖2 一樣圖。從圖中可以看出,截面速度場分布上下對稱,左右不對稱,這是因為換熱管左右結(jié)構(gòu)不對稱所致,可見左右肋及右肋槽道同樣對流體截面速度場分布有影響;1 s、2 s 和3 s 換熱管內(nèi)同一截面處流體速度場分布云圖有差異,3 s 和5 s 云圖差別不大,說明從1 s 到2 s 換熱管內(nèi)流體速度變化逐漸趨于穩(wěn)定,3 s 后流體速度已達到穩(wěn)定狀態(tài),這是因為開始工作時存在換熱管預冷過程,預冷結(jié)束,流體與換熱管之間的換熱達到穩(wěn)定;換熱管內(nèi)流體截面速度場分布不均勻,存在最大和最小速度及明顯的速度梯度,非穩(wěn)定換熱階段管內(nèi)流體最大速度出現(xiàn)在靠近右肋側(cè),穩(wěn)定換熱階段最大速度出現(xiàn)在中心處,且均沿徑向逐漸減小;同一海水膜厚度,非穩(wěn)定換熱階段比穩(wěn)定換熱階段平均速度小,非穩(wěn)定換熱階段速度梯度沒有穩(wěn)定換熱階段明顯。圖3a 可以看出,非穩(wěn)定換熱階段,距離LNG 進口端200 mm 處,海水膜厚度對換熱管內(nèi)流體速度場分布影響不大,距離LNG 進口端200—1 000 mm,隨著海水膜厚度的增大,換熱管內(nèi)高速流體增多,流體平均速度增大。從圖3b、圖3c和圖3 d 可以看出,穩(wěn)定換熱階段,隨著換熱管外海水膜厚度的增大,換熱管內(nèi)流體速度場分布幾乎無差異,說明該階段海水膜厚度對換熱管內(nèi)流體速度場分布影響不大。

圖3 換熱管內(nèi)流體速度場分布云圖Fig.3 velocity field of fluid in heat transfer tube

5 結(jié) 論

換熱管作為開架式氣化器的基本換熱單元,其性能決定著氣化器的換熱效率,開始工作時存在換熱管從環(huán)境溫度降至低溫的預冷過程,縮短預冷時間,提高預冷效率,減小海水用量,降低運行成本對換熱器具有意義。本研究采用ANSYS Workbench 軟件對開架式氣化器換熱管預冷過程進行了數(shù)值模擬,得到換熱管內(nèi)流體溫度場和速度場分布云圖,分析得到如下結(jié)論:預冷過程中,海水膜厚度越厚,換熱管內(nèi)流體平均溫度和平均速度越大,進入穩(wěn)定換熱后,海水膜厚度不再影響換熱管內(nèi)流體溫度場和速度場的分布。因此,在實際的換熱管預冷操作中,可以采用增大海水膜厚度的措施縮短預冷時間,提高預冷效率,進入穩(wěn)定換熱后可以適當減小海水膜厚度,降低運行成本。