高原原，田朝陽(yáng)，趙志紅，李秋杰，汪微微

（1.江蘇中圣壓力容器裝備制造有限公司，江蘇 南京 211112；2.江蘇中圣高科技產(chǎn)業(yè)有限公司，江蘇 南京 211112）

對(duì)以海水為熱源或者乙二醇水溶液作為循環(huán)冷媒來(lái)進(jìn)行冷能利用的情況，大流量液化天然氣（LNG）條件下可以采用中間介質(zhì)型（IFV）氣化器的結(jié)構(gòu)[1]。對(duì)于小型的氣化站或者船用型氣化器，空間有限的情況下，IFV氣化器的占地空間大，不能滿足場(chǎng)地要求?，F(xiàn)有熱管熱交換器的殼體形狀大多為方形結(jié)構(gòu)[2]，介質(zhì)能夠承受的壓力較小，一般為微常壓，限制了熱管熱交換器的使用。LNG的設(shè)計(jì)壓力高，一般在4 MPa（G）以上，有的可以達(dá)到16 MPa（G）,所以LNG的氣化設(shè)備需要能夠承受高壓[3]。另外LNG入口溫度在-160～-100℃，用海水或乙二醇溶液作為熱源進(jìn)行換熱，設(shè)計(jì)過(guò)程中需要考慮如何避免熱源結(jié)冰。組合管殼式熱管氣化器結(jié)合了管殼式熱交換器和熱管熱交換器的優(yōu)點(diǎn)，可承受較高的設(shè)計(jì)壓力。冷、熱流體分別在上、下管束的殼程中流動(dòng)，換熱管內(nèi)充裝有中間工質(zhì)，通過(guò)中間工質(zhì)的蒸發(fā)和冷凝進(jìn)行傳熱，傳熱效率高。

1 組合管殼式熱管氣化器結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及傳熱原理

1.1 結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

組合管殼式熱管氣化器是組合管殼式熱管換熱器[4]在氣化器領(lǐng)域的首次應(yīng)用，為立式布置，總體由上、下2個(gè)殼體組成。上殼體設(shè)置冷流體進(jìn)、出口，下殼體設(shè)置熱流體進(jìn)、出口。每個(gè)殼體中含有1個(gè)U型管或直管型管束，管束的一端固定在管板上，另一端通過(guò)U型管或者堵頭進(jìn)行密封，上、下管束的2塊管板直接相連或者分別安裝在連接筒體的兩端，在上管板與下管板之間形成一個(gè)連通上管束和下管束的氣液分離交換空間，在這個(gè)空間中裝有充裝和泄放口。組合管殼式熱管氣化器、熱管以及IFV氣化器都屬于中間介質(zhì)型熱交換器、都利用另一種中間介質(zhì)的蒸發(fā)和冷凝進(jìn)行熱量傳遞。

與普通熱管熱交換器相比，組合管殼式熱管氣化器具有承壓能力強(qiáng)、加工制作簡(jiǎn)單、傳熱更均勻的特點(diǎn)。普通的熱管[2]一般是由單根換熱管制作的獨(dú)立封閉腔體，整個(gè)熱管管束由若干獨(dú)立的熱管組成，每根熱管都需要單獨(dú)進(jìn)行排氣充液，組合管殼式熱管氣化器只需要一次排氣充液即可完成整個(gè)熱交換器熱管的制作過(guò)程，因此可以極大降低加工難度。同時(shí)，上管束和下管束是分開(kāi)加工的，可根據(jù)冷、熱流體的化學(xué)性質(zhì)，選用不同的材質(zhì)制作。此外，換熱管束中間部分相連通，可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)分布?xì)怏w和液體功能，有利于均衡各根換熱管的熱負(fù)荷，避免干燒等現(xiàn)象。

組合管殼式熱管氣化器與IFV氣化器的不同之處在于，IFV氣化器的中間介質(zhì)是在管束外部發(fā)生相變，是臥式的；而組合管殼式熱管氣化器的中間介質(zhì)是在換熱管內(nèi)部發(fā)生的相變，是立式的。IFV殼體的中間介質(zhì)在蒸發(fā)和冷凝過(guò)程中，需要一定高度的空間進(jìn)行氣、液兩相的分離，中間介質(zhì)充裝在殼程，需要的充裝量大。在空間有限的場(chǎng)合，組合管殼式熱管氣化器占地面積小，還可以如IFV氣化器那樣避免2種流體直接換熱，消除了結(jié)冰風(fēng)險(xiǎn)。

1.2 傳熱原理

組合管殼式熱管氣化器管內(nèi)的傳熱原理類(lèi)似于重力熱管[5-7]，也被稱為閉式兩相熱虹吸管，沒(méi)有吸液芯，它的特點(diǎn)是蒸發(fā)段管束必須位于冷凝段管束的下方，冷凝液體通過(guò)重力回流到蒸發(fā)段，保持足夠的重力壓頭方能運(yùn)行，因此熱流體必須要放置在下管束的殼程，反之則不能工作。組合管殼式熱管氣化器結(jié)構(gòu)及傳熱原理見(jiàn)圖1。

圖1 組合管殼式熱管氣化器結(jié)構(gòu)及傳熱原理示圖

首先要在2個(gè)管束內(nèi)部抽真空，并充入一定量的中間介質(zhì)。運(yùn)行時(shí)，熱流體對(duì)下管束進(jìn)行加熱，使內(nèi)部介質(zhì)氣化，通過(guò)壓力作用使蒸汽升入上管束內(nèi)。氣體在上管束內(nèi)部和管壁接觸遇冷后放熱冷凝，然后在重力作用下經(jīng)過(guò)中間腔體的絕熱段回流到蒸發(fā)段，完成一次循環(huán)。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，就是通過(guò)中間介質(zhì)在2個(gè)管束內(nèi)部不斷地蒸發(fā)和冷凝，將熱量從熱流體傳給冷流體，單純地依靠重力自行內(nèi)部循環(huán)。上管束和下管束的管程空間通過(guò)中間腔體連通，形成一個(gè)完整的封閉腔體。管內(nèi)壓力是由中間介質(zhì)蒸發(fā)后的蒸汽壓力決定，是與中間介質(zhì)的相變溫度一一對(duì)應(yīng)的飽和壓力。

在進(jìn)行熱交換器設(shè)計(jì)時(shí)，需要選擇合適的中間介質(zhì)相變溫度來(lái)確定上、下管束傳熱面積。實(shí)際運(yùn)行中，中間介質(zhì)的蒸汽壓力受冷、熱流體的溫度，傳熱系數(shù)及上、下管束的傳熱面積的共同影響。上管束、下管束管內(nèi)流體的操作溫度是相等的，而且是一個(gè)恒定值。該溫度介于冷流體的出口最高溫度和熱流體的最低進(jìn)口溫度之間，因此，組合管殼式熱管氣化器只適用于冷、熱流體的進(jìn)、出口溫度沒(méi)有交叉區(qū)間的場(chǎng)合。

管外的傳熱原理同管殼式熱交換器殼程的流體傳熱原理[8-10]，折流板可以采用單弓形折流板或雙弓形折流板，殼體可以選用E型、J型或者X型。可以根據(jù)殼程流體的傳熱要求選用合適的殼體形式，殼程流體的傳熱系數(shù)可使用管殼式熱交換器成熟的傳熱公式來(lái)計(jì)算。

制約組合管殼式熱管氣化器管內(nèi)傳熱能力的極限主要是聲速極限、攜帶極限、沸騰極限和干涸極限[11-14]。熱流密度過(guò)大，液膜蒸發(fā)過(guò)快，下降液膜可能在到達(dá)液池前就已干涸。這時(shí)局部壁溫升高，但熱管尚能運(yùn)行，下降液膜出現(xiàn)厚度為0時(shí)對(duì)應(yīng)的熱流密度即為干涸極限。另外，中間介質(zhì)的充裝量對(duì)傳熱能力影響很大，要根據(jù)操作工況下的溫度、壓力以及熱流密度計(jì)算介質(zhì)的充裝量，除使液體能在內(nèi)壁形成下降液膜外，還有部分積存于蒸發(fā)段底部形成液池，避免出現(xiàn)蒸發(fā)段底部干涸而不能工作的情況。

2 組合管殼式熱管氣化器工藝計(jì)算

2.1 上殼體傳熱計(jì)算模型

組合管殼式熱管氣化器的內(nèi)部傳熱過(guò)程包括兩相流和相變傳熱。上管束管內(nèi)的冷凝有膜狀冷凝和滴狀冷凝2種方式，滴狀冷凝的傳熱系數(shù)是膜狀冷凝的數(shù)倍，但是滴狀冷凝比較難維持，僅存在于換熱管頂部的小部分區(qū)域，計(jì)算時(shí)可全部當(dāng)作膜狀冷凝設(shè)計(jì)。它的理論研究是以Nusselt無(wú)限大平板的膜狀凝結(jié)為基礎(chǔ)，通過(guò)試驗(yàn)對(duì)冷凝傳熱系數(shù)進(jìn)行修正，得出經(jīng)驗(yàn)公式，對(duì)于層流膜狀冷凝和湍流膜狀冷凝，可采用式（1）和式（2）計(jì)算[15]。

式 (1)～式 (2)中，α為凝結(jié)段的平均傳熱系數(shù)，W/(m2·K)；hfg為冷凝潛熱，J/kg；ρι為液體的密度，kg/m3；λι為液體的導(dǎo)熱系數(shù),W/(m·K)；μι為液體的動(dòng)力黏度，Pa·s；Lc為凝結(jié)段長(zhǎng)度，m；qc為凝液段徑向熱流密度，W/m2；Re為凝結(jié)段液膜流動(dòng)的雷諾數(shù)；g為重力加速度，g=9.8 m/s2。

2.2 下殼體傳熱計(jì)算模型

下管束管內(nèi)介質(zhì)的沸騰包含有液膜蒸發(fā)和池式沸騰2種模式。液膜蒸發(fā)的傳熱模型可以使用豎管降膜蒸發(fā)的傳熱計(jì)算公式，池式沸騰比較少，只出現(xiàn)在底部U型彎處部分，可以忽略。傳熱系數(shù)的計(jì)算方法采用Nusselt數(shù)關(guān)聯(lián)式[16]計(jì)算，即：

式(3)～式(5)中，Nux為局部的 Nusselt數(shù)，NuNB為核態(tài)沸騰的 Nusselt數(shù)，Nucc為混合對(duì)流的Nusselt數(shù)；Rex為局部的雷諾數(shù)；Nuf為液體黏度 數(shù)；Prι為 液 相的普朗特?cái)?shù)；p為飽和蒸氣壓，Pa；Im為氣泡尺度，；qe為蒸發(fā)段熱流密度，W/m2；σ 為液體表面張力，N/m；ρv為氣相密度，kg/m3；vι為液相的運(yùn)動(dòng)黏度，m2/s；k為修正系數(shù)，與介質(zhì)種類(lèi)相關(guān)。

2.3 模型應(yīng)用計(jì)算實(shí)例

以某小型LNG船用氣化器為例分析說(shuō)明組合管殼式熱管氣化器在LNG氣化工程中的實(shí)際應(yīng)用。LNG進(jìn)出口溫度-120～-55℃,乙二醇溶液的進(jìn)出口溫度-35～-40℃，LNG在標(biāo)準(zhǔn)氣體狀態(tài)下的體積流量為80 m3/h。乙二醇溶液中乙二醇質(zhì)量分?jǐn)?shù)為60%，對(duì)應(yīng)的乙二醇溶液的冰點(diǎn)溫度為-48.3℃。原采用的LNG與乙二醇溶液氣化設(shè)備為水浴盤(pán)管式氣化器，在使用過(guò)程中出現(xiàn)了乙二醇溶液的結(jié)冰。

為了避免結(jié)冰，必須對(duì)LNG氣化器的設(shè)計(jì)條件進(jìn)行分析，對(duì)LNG氣化器進(jìn)行設(shè)備優(yōu)選。該設(shè)計(jì)條件具有流量小、LNG溫度低及乙二醇操作溫度接近冰點(diǎn)溫度的特點(diǎn)。如果使-120℃的LNG直接和乙二醇溶液采用間壁方式換熱，不管是順流還是逆流都無(wú)法避免乙二醇溶液的結(jié)冰問(wèn)題，而改用IFV氣化器或組合管殼式熱管氣化器在理論上可以避免二乙醇結(jié)冰。為此，基于此小型LNG船用氣化器的工藝參數(shù)，分別以組合管殼式熱管氣化器和IFV氣化器為設(shè)備類(lèi)型，進(jìn)行方案階段傳熱設(shè)備選型設(shè)計(jì)計(jì)算，結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 組合管殼式熱管氣化器和IFV氣化器方案對(duì)比

由表1可以看出，組合管殼式熱管氣化器比IFV氣化器需要的換熱面積略大一些，傳熱效率基本一致，而組合管殼式熱交換器的占地面積只有0.2 m2，是 IFV氣化器占地面積的 7%，設(shè)備質(zhì)量大約是IFV氣化器的60%。組合管殼式熱管氣化器同等直徑下可以布置的換熱面積更多，更加緊湊。而IFV氣化器需要留有足夠的氣液分離高度，殼體內(nèi)換熱管布置很空，設(shè)備直徑大，需要充裝的中間介質(zhì)多，設(shè)備材料成本更高。

該設(shè)備采用組合管殼式熱管氣化器結(jié)構(gòu)，實(shí)際運(yùn)行效果良好，滿足設(shè)計(jì)要求，沒(méi)有出現(xiàn)乙二醇水溶液結(jié)冰問(wèn)題。

3 結(jié)語(yǔ)

氣化器是實(shí)現(xiàn)LNG工業(yè)和民用的重要設(shè)備。氣化器選擇和設(shè)計(jì)不當(dāng)易出現(xiàn)結(jié)冰。組合管殼式熱管氣化器結(jié)構(gòu)獨(dú)特，相比于普通熱管氣化器加工難度低、安全系數(shù)高且承壓能力強(qiáng)。相比于IFV氣化器，雖傳熱效率略低，但其占地面積小，充裝的中間介質(zhì)少，更適合在不能直接進(jìn)行間壁換熱的小負(fù)荷工況使用，可降低材料成本。