董 超， 陳叔平， 朱 鳴， 金樹峰， 吳宗禮

(1.蘭州理工大學(xué) 石油化工學(xué)院，甘肅 蘭州 730050；2.中國特種設(shè)備檢測研究院，北京 100029)

空溫式氣化器在運(yùn)行中存在氣化能力達(dá)不到設(shè)計(jì)要求、結(jié)構(gòu)不合理等問題，因傳熱惡化而導(dǎo)致工藝裝置爆炸等嚴(yán)重后果，是液化天然氣(LNG)在氣化過程中務(wù)必重視和解決的難題。Chiu等[1]、劉珊珊等[2]對(duì)空溫式氣化器傳熱過程展開全面探索，建立空氣側(cè)傳熱系數(shù)公式并分析管內(nèi)氣化傳熱與氣化流型，結(jié)果表明LNG在管內(nèi)氣化以核態(tài)沸騰為主。提升傳熱管傳熱效率一直是技術(shù)研發(fā)的重點(diǎn)，最早通過在傳熱管表面加裝翅片進(jìn)行強(qiáng)化傳熱[3]，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行設(shè)計(jì)和優(yōu)化。邱燕[4]建立了氣化器豎直縱向翅片管計(jì)算模型，分析翅片管長度、高度對(duì)氣化器自然對(duì)流的換熱特性。Lee等[5]實(shí)驗(yàn)分析了不同形式翅片在恒溫條件下對(duì)換熱性能的影響。Kong等[6]、Jeong等[7-8]分析了8fin50le和4fin75le兩種類型翅片夾角、高度及厚度對(duì)傳熱性能的影響，表明翅片夾角越小，翅片高度、厚度、數(shù)目增加時(shí)傳熱面積越大、傳熱量越多，從而改善了傳熱性能。Haldar團(tuán)隊(duì)[9]將外部翅片管自由對(duì)流換熱進(jìn)行模擬，發(fā)現(xiàn)翅片厚度在翅片管的幾何因素中對(duì)傳熱影響最大。焦鳳等[10]通過改變圓形翅片管管束排列及管間距發(fā)現(xiàn)傳熱性能與速度場、溫度場間協(xié)同角度大小、回流區(qū)面積及尾流渦尺度大小有關(guān)。陳叔平團(tuán)隊(duì)[11-12]采用數(shù)值模擬分析了氣化器結(jié)構(gòu)尺寸對(duì)空氣側(cè)自然對(duì)流換熱的影響。

近幾年，有關(guān)改變傳熱管結(jié)構(gòu)及管內(nèi)加裝擾流結(jié)構(gòu)以提高其傳熱性能的研究較多。Liu等[13]提出了螺旋纏繞管式的換熱管道并研究了強(qiáng)制換熱和蒸發(fā)換熱。韓冬艷[14]將變徑管束與雙級(jí)煙管結(jié)合的強(qiáng)化傳熱措施應(yīng)用于φ13 mm和φ15 mm換熱管后，可分別減少10.3%和7.9%的傳熱面積。潘杰等[15]建立了傳熱管數(shù)學(xué)模型，分析了不同工況、結(jié)構(gòu)對(duì)換熱性能影響，結(jié)果表明內(nèi)翅片和螺旋紐帶結(jié)構(gòu)傳熱管所需最小管長比無強(qiáng)化措施縮短42%。Deng等[16-17]對(duì)比分析了有無十字?jǐn)_流桿2種換熱管，發(fā)現(xiàn)十字形擾流桿顯著提高了換熱性能，并提出擾流桿的優(yōu)化方案。武永和等[18]在管內(nèi)插擾流元件，誘導(dǎo)管內(nèi)產(chǎn)生二次流強(qiáng)化傳熱。焦鳳等[19]在新型換熱器中插入旋流片和折板，經(jīng)分析表明，插入折板后殼程通道內(nèi)綜合傳熱性能最好，其次是插入旋流片，無插入物時(shí)最差。

有學(xué)者研究表明，開架式氣化器傳熱管內(nèi)加裝套管可強(qiáng)化傳熱且抑制表面結(jié)冰[20]。鑒于此，筆者在已有研究基礎(chǔ)上，提出在空溫式氣化器普通傳熱管內(nèi)加裝套管，通過套管管徑變化[21]調(diào)節(jié)介質(zhì)流量

配比，采用實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬研究套管結(jié)構(gòu)對(duì)流體出口溫度、翅片表面溫度等參數(shù)的影響，以探究該強(qiáng)化傳熱方法的可行性。

1 套管結(jié)構(gòu)空溫式氣化器傳熱模型

套管結(jié)構(gòu)空溫式氣化器如圖1所示。選用液氮(LN2)作為低溫介質(zhì)，其下部為含套管的預(yù)熱段和氣化段，上部為單管結(jié)構(gòu)的加熱段。

圖1 套管結(jié)構(gòu)空溫式氣化器示意圖Fig.1 Schematic diagram of ambient air vaporizer with double-wall heat transfer tube structure

對(duì)傳熱過程不同階段分別建立計(jì)算模型：

(1)氣化段(預(yù)熱段)

LN2經(jīng)過翅片管底部分別進(jìn)入套管內(nèi)部、套管與翅片管之間的環(huán)狀空間。翅片管外熱量經(jīng)翅片管表面?zhèn)髦镰h(huán)狀空間的低溫液體，并迅速加熱氣化。套管內(nèi)LN2預(yù)熱至泡點(diǎn)溫度后，被環(huán)狀空間內(nèi)N2繼續(xù)加熱，開始?xì)饣癁镹2，傳熱過程如圖2所示。

LN2—Liquid nitrogen; N2—Nitrogen; x, y—The inlet and outlet sections of the unit; z—Length of the unit, m;Qf-o—Heat on the outside of the finned tube, kJ; Qf-i—Heat on the inside of the finned tube, kJ;Qt-o—Heat on the outside of the inner tube, kJ; Qt-i—Heat on the outside of the inner tube, kJ圖2 套管結(jié)構(gòu)空溫式氣化器傳熱過程示意圖Fig.2 Schematic diagram of heat transfer of ambient air vaporizer with double-wall heat transfer tube structure

對(duì)翅片管空氣側(cè)能量衡算得到：

(1)

式(1)中:m為質(zhì)量流量，kg/s；h為進(jìn)出口流體的比焓值，J/kg；D為傳熱管直徑，m；z為單元長度，m；α為對(duì)流換熱系數(shù)，W/(m2·K)；T為溫度，K；上標(biāo)x、y分別表示單元進(jìn)、出口截面；下標(biāo)：a表示干空氣，f表示翅片管壁，o表示外側(cè)。

對(duì)環(huán)狀空間內(nèi)N2能量衡算得到：

(2)

式(2)中:下標(biāo)t表示套管管壁;i表示管內(nèi)側(cè)。

對(duì)套管內(nèi)LN2能量衡算得到：

(3)

綜上得到：

(4)

(2)加熱段

套管內(nèi)氣化結(jié)束后，環(huán)狀空間和套管內(nèi)N2混合后進(jìn)入加熱段。加熱段的作用是將氣化的N2加熱至出口設(shè)計(jì)溫度。

同理加熱段各單元的傳熱模型為：

(5)

2 套管結(jié)構(gòu)空溫式氣化器數(shù)值模擬

2.1 物理模型

根據(jù)圖3、表1參數(shù)建立內(nèi)徑為φ6、φ8、φ10 mm的套管結(jié)構(gòu)空溫式翅片管氣化器模型。

圖3 翅片管幾何結(jié)構(gòu)示意圖Fig.3 Geometry schematic diagram of the finned tube Same legends as Table 1

表1 單根翅片管幾何參數(shù)Table 1 Geometrical parameters of single finned tube

2.2 邊界條件及求解

qm=qv×ρ=Α×ν×ρ

(6)

式(6)中:qm為質(zhì)量流量，kg/s；qv為體積流量，L/s。

由式(6)得到入口速度為0.0175 m/s，設(shè)置邊界條件如圖4所示。采用壓力基求解器，壓力和速度耦合采用SIMPLE方法，設(shè)置質(zhì)量、動(dòng)量、能量方程，選擇Mixture模型，k-ε湍流，近壁處為標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)，沸騰相變模型選擇Lee源項(xiàng)。編譯UDF將能量、質(zhì)量作為源項(xiàng)導(dǎo)入Mixture能量方程、氣液相質(zhì)量方程中，近似模擬冷流體在管內(nèi)的相變過程。

圖4 邊界條件設(shè)置Fig.4 Boundary condition setup

3 套管結(jié)構(gòu)空溫式氣化器傳熱實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)裝置由供液系統(tǒng)、氣化系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)3部分組成。供液系統(tǒng)為翅片管氣化器提供恒定流量的液氮；氣化系統(tǒng)將液氮完全氣化并將其排放至室外；

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集翅片管進(jìn)、出口處的介質(zhì)溫度、翅片壁面溫度、氣體流量及翅片管周圍熱流體溫度、濕度等參數(shù)。設(shè)計(jì)流量為2.5 g/s時(shí)無套管，套管管徑為φ6、φ8、φ10 mm的實(shí)驗(yàn)工況，研究套管對(duì)空溫式氣化器傳熱的影響，實(shí)驗(yàn)流程如圖5所示。

1—Personal computer； 2—Cryogenic storage tank； 3—PH-Ⅱ handheld weather station； 4—Single finned tube； 5—Finned tube bundle； 6—Gas flow meter； 7—Temperature acquisition module； 8—Paperless recorder； T1-T5—Temperature of five points on the surface of the finned tube；Tin, Tout—Finned tube inlet and outlet temperature；p—Cryogenic storage tank pressure圖5 套管結(jié)構(gòu)空溫式氣化器傳熱實(shí)驗(yàn)流程圖Fig.5 Flow chart of heat transfer experiment for ambient air vaporizer with double-wall heat transfer tube structure

實(shí)驗(yàn)步驟如下：

(1)實(shí)驗(yàn)開始前，連接管路和儀器，用乙醇溶液擦拭翅片表面，調(diào)試數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)并檢查管路氣密性；

(2)打開低溫儲(chǔ)罐排液閥，根據(jù)氣體流量計(jì)讀數(shù)調(diào)節(jié)排液閥開度以達(dá)到實(shí)驗(yàn)工況參數(shù)；

(3)開啟溫度、流量、壓力等數(shù)據(jù)采集儀器，實(shí)時(shí)記錄數(shù)據(jù)；

(4)實(shí)驗(yàn)結(jié)束后關(guān)閉所有閥門，將翅片管表面及管路烘干，待氣化器表面完全干燥恢復(fù)至室溫后更換套管方可進(jìn)行下組實(shí)驗(yàn)。

4 套管結(jié)構(gòu)空溫式氣化器結(jié)果分析

4.1 速度場

圖6為沿管長500 mm處截面速度云圖。由于固體壁面的存在，流體沿管壁流動(dòng)時(shí)，近壁面有一層極薄且流速極小的流體，中心區(qū)域流體具有較大流速，越接近中心流速越大。含有套管的傳熱管內(nèi)部分流體在環(huán)狀空間流動(dòng)，在翅片管內(nèi)壁有較大流速，且隨套管管徑增大，環(huán)狀空間縮小，翅片管內(nèi)壁流速也增大。

圖7為傳熱管內(nèi)平均流速沿管長變化情況。由圖7可知:在0～550 mm段平均流速沿管長方向逐漸增大，且使用φ10 mm套管管內(nèi)流速較大；550～650 mm段含套管的平均流速沿著管長方向大幅降低，這是由于管內(nèi)流體進(jìn)入加熱段后，套管內(nèi)較低流速和環(huán)狀空間的流體融為一體并持續(xù)沿管長流動(dòng)后所導(dǎo)致；650～1000 mm段平均流速沿著管長方向保持逐漸增大的趨勢，且使用φ6 mm套管管內(nèi)流速最小。

圖7 翅片管管內(nèi)流速(v)沿管長(L)的變化Fig.7 Variation of velocity (v) inside finned tube with tube length (L)

4.2 溫度場

圖8為空溫式氣化器截面溫度云圖。冷流體由翅片管底端流入，與翅片管外熱流體熱量傳遞后沿流動(dòng)方向溫度逐漸升高，達(dá)到飽和溫度后開始?xì)饣?，直至從翅片管頂端流出。圖8中左側(cè)為氣化器軸向溫度云圖，翅片管內(nèi)冷流體自下而上溫度逐漸升高，翅片表面受冷熱流體傳熱影響自下而上溫度逐漸升高，離翅片管較遠(yuǎn)的熱流體溫度幾乎未受到影響。右側(cè)為沿翅片管長方向進(jìn)口端(0)、250、500、750 mm處截面(圖8中截面用Z表示)溫度云圖，熱流體溫度由翅片管最外側(cè)向近壁面處逐漸降低，Z=0時(shí)翅片管外溫度等值線呈拋物線狀，且越貼近翅片管表面，溫度等值線越緊密，翅片管表面與管外熱流體溫差較大；Z=250 mm和Z=500 mm處溫度等值線間距較大，分布更稀疏；Z=750 mm處熱流體溫度等值線緊密貼近于翅片壁面，翅片管表面與管外熱流體溫差較小。

圖8 空溫式氣化器溫度云圖Fig.8 Temperature contour of ambient air vaporizer

圖9為模擬與實(shí)驗(yàn)均到穩(wěn)態(tài)時(shí)翅片管表面溫度沿管長的變化。由圖9可知，沿管長方向翅片管表面溫度不斷升高，變化趨勢從陡峭逐漸平緩，數(shù)值模擬與實(shí)驗(yàn)結(jié)果趨勢基本吻合。對(duì)比無套管結(jié)構(gòu)，各測點(diǎn)處套管結(jié)構(gòu)傳熱管表面溫度較高，且使用φ6 mm套管表面溫度最高。

圖9 翅片表面溫度(T)沿管長(L)的變化Fig.9 Variation of fin surface temperature (T) with tube length (L)

根據(jù)數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)可得翅片管氣化器管內(nèi)出口溫度兩者之間的誤差百分比(E)為：

(7)

式(7)中：Tout,sim為出口溫度數(shù)值模擬值，K；Tout,exp為出口溫度實(shí)驗(yàn)值，K。

表2為出口溫度的模擬值與實(shí)測值的相對(duì)誤差百分比。由表2可知，管內(nèi)出口溫度的模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果誤差百分比E在4.75%～6.46%之間。同時(shí)根據(jù)文獻(xiàn)[22]中實(shí)驗(yàn)達(dá)到穩(wěn)態(tài)時(shí)，對(duì)翅片表面各點(diǎn)處溫度的實(shí)測值與本模擬結(jié)果進(jìn)行誤差分析，如圖10所示，模擬值與實(shí)測值平均誤差在±7%內(nèi)，誤差較小，驗(yàn)證了所采用的假設(shè)、模型對(duì)于含套管結(jié)構(gòu)的空溫式氣化器換熱過程是合適的。

圖10 出口溫度的模擬值(Tout,sim)與實(shí)測值(Tout,exp)對(duì)比Fig.10 Comparison between simulated values (Tout,sim) and measured values (Tout,exp) of outlet temperature

表2 出口溫度的模擬值與實(shí)測值的相對(duì)誤差百分比(E)Table 2 Relative error percentage (E) between simulated and measured results of outlet temperature

4.3 管內(nèi)氣含率

圖11為傳熱管內(nèi)氣含率軸向截面云圖。傳熱管近壁面處氣含率顯著高于中心區(qū)域，近壁面LN2加熱氣化成N2，由于N2的導(dǎo)熱率比LN2低，會(huì)影響氣化管傳熱，但氣-液混合后增強(qiáng)了壁面的擾動(dòng)強(qiáng)化傳熱從而提高了氣化效率。無套管結(jié)構(gòu)直接通過翅片管壁加熱氣化，在含套管結(jié)構(gòu)傳熱管中可清晰區(qū)分預(yù)熱段、加熱段、氣化段，在加熱段環(huán)狀空間和套管內(nèi)的N2混合后被翅片管外熱流體持續(xù)加熱，氣含率顯著高于無套管結(jié)構(gòu)，且在3種規(guī)格套管中，使用φ6 mm套管管內(nèi)氣含率較高，φ8 mm套管次之，φ10 mm最低。

圖11 管內(nèi)氣含率(φN2)軸向截面云圖Fig.11 Axial section contour of gas holdup (φN2) inside tube

圖12為管內(nèi)氣含率(N2的體積分?jǐn)?shù)，φN2)隨管長的變化。沿管長方向N2含量不斷升高，且增幅逐漸減小趨于平緩。管長0～650 mm段無套管結(jié)構(gòu)內(nèi)氣含率高于套管結(jié)構(gòu)，管長650～1000 mm段套管結(jié)構(gòu)氣化段環(huán)狀空間和套管內(nèi)N2混合，氣含率均高于無套管結(jié)構(gòu)，對(duì)應(yīng)無套管結(jié)構(gòu)、φ6 mm、φ8 mm、φ10 mm出口截面氣含率分別為0.846、0.886、0.880、0.873，3種規(guī)格套管中φ6 mm氣含率最高，比無套管結(jié)構(gòu)提高4%，由此套管結(jié)構(gòu)對(duì)傳熱管的氣化效率有一定的提升。

圖12 管內(nèi)氣含率(φN2)隨管長(L)的變化Fig.12 Variation of gas holdup (φN2) inside tube with tube length (L)

4.4 管內(nèi)換熱性能

管內(nèi)換熱性能與換熱系數(shù)相關(guān)，換熱系數(shù)越大換熱性能越好。單位時(shí)間、單位面積流體與固體表面溫差達(dá)到1 K時(shí)所需熱量定義為換熱系數(shù)(α，W/(m2·K))，計(jì)算公式如式(8)所示。

(8)

式(8)中：Q為總換熱量，W；ΔT為流體與固體壁面之間的溫差，K；A為換熱面積，m2。

圖13為翅片管壁面換熱系數(shù)沿管長的變化。由圖13可知，沿管長方向換熱系數(shù)先升高后驟降至平緩，這是由于冷流體剛進(jìn)入翅片管時(shí)，管內(nèi)冷流體與管外熱流體溫差最大，隨著冷流體流動(dòng)受到翅片管壁持續(xù)加熱，管內(nèi)冷流體與管外熱流體溫差逐漸減小，換熱系數(shù)開始減小。管長0～500 mm段無套管結(jié)構(gòu)的換熱系數(shù)比有套管結(jié)構(gòu)的大，無套管結(jié)構(gòu)換熱系數(shù)在管長200 mm處出現(xiàn)峰值，而套管結(jié)構(gòu)換熱系數(shù)峰值在冷流體進(jìn)口端附近，這是由于套管結(jié)構(gòu)擾動(dòng)流體流動(dòng)，強(qiáng)化換熱，套管結(jié)構(gòu)的換熱系數(shù)急劇升高，在管長0～500 mm段無套管結(jié)構(gòu)換熱性能優(yōu)于套管結(jié)構(gòu)換熱管；管長大于500 mm時(shí)套管結(jié)構(gòu)的換熱系數(shù)出現(xiàn)小幅增長，均高于無套管結(jié)構(gòu)，這是由于環(huán)狀空間和套管內(nèi)流體混合后流入傳熱管加熱段溫度升高，且在整個(gè)換熱過程中，3種規(guī)格套管管徑越小，換熱系數(shù)越大。

圖13 翅片管壁面換熱系數(shù)(α)沿管長(L)的變化Fig.13 Variation of wall surface heat transfer coefficient (α) of finned tube with tube length (L)

5 結(jié) 論

建立了含套管結(jié)構(gòu)的空溫式氣化器整體傳熱計(jì)算模型，利用離散化方程組分別描述傳熱管預(yù)熱段、氣化段和加熱段傳熱過程，并采用CFD數(shù)值模擬氣化器換熱性能，通過實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行誤差分析驗(yàn)證數(shù)值模擬所采用假設(shè)的準(zhǔn)確性，得出以下結(jié)論：

(1)空溫式氣化器沿翅片管管長方向換熱系數(shù)整體呈先增加后減小趨勢。相對(duì)于無套管結(jié)構(gòu)，加裝套管擾動(dòng)了傳熱管管內(nèi)流體流動(dòng)，提高了翅片管表面溫度，傳熱管加熱段換熱系數(shù)高于無套管結(jié)構(gòu)，且在冷流體進(jìn)口端出現(xiàn)峰值。

(2)空溫式氣化器的速度場、溫度場、氣含率及換熱分析表明，加裝套管對(duì)翅片管傳熱性能有顯著影響。φ6 mm、φ8 mm、φ10 mm 3種規(guī)格套管中，隨著套管管徑越小，環(huán)狀空間越大，管內(nèi)氣含率越高，翅片管表面溫度越高，傳熱性能提升越明顯。