LNG空溫式氣化器的換熱計算

摘 要

摘要： 對LNG空溫式氣化器的單根翅片管進行模擬換熱計算，計算時將翅片管分為單相液、兩相以及單相氣3區，得出了管外壁溫度、管內流體溫度以及管內流體表面傳熱系數沿管長的
    摘要： 對LNG空溫式氣化器的單根翅片管進行模擬換熱計算，計算時將翅片管分為單相液、兩相以及單相氣3區，得出了管外壁溫度、管內流體溫度以及管內流體表面傳熱系數沿管長的分布。
    關鍵詞： 液化天然氣； 空溫式氣化器； 換熱計算； 三區模型
   
 Abstract：The heat transfer calculation of a single finned-tube in ambient air vaponzer is slmulated．The singl finned—tube is divided into 3 areas including single-phase fluid，two phases and singlephase gas． The distributions of external wall temperature，internal fluid temperature and the surface heat transfer coefficient of the internal fluid along the length are obtained．
 Kev words：LNG；ambient air vaporizer；heat transfer calculation；three-area model
1概述
    隨著經濟的持續穩步增長，我國的能源需求量不斷增大。據BP世界能源統計結果，2000--2008年我國各類一次能源的年均增長率中，天然氣的增幅達到了l5%，明顯高于煤炭和石油[1]常壓下將天然氣冷卻至-162°C時，氣態天然氣轉變為液化天然氣(LNG)，其體積約為同質量氣態天然氣的1/600。天然氣以LNG的形式儲存和運輸，具有成本低、使用方便、安全可靠等諸多優點。近幾年來，我國陸續規劃和建造了多座大型LNG接收終端、LNG生產廠以及LNG衛星站，我國LNG產業進入快速發展階段，LNG產業鏈日趨成熟。
    對各種LNG氣化器的經濟以及環境對比顯示，空溫式氣化器(ambient air vaporizers，簡稱AAVs)以其節能環保的優勢得到了大力提倡【2】，在LNG氣化站中AAVs已經得到了廣泛的應用，近年來大型的LNG接收終端也開始采用AAVs來實現LNG的氣化。
    目前國內外學者對AAVs的研究已經取得了一定的成果。Lee【3】與Kong[4]分別通過實驗與數值方法研究了翅片管形式、翅片角、空氣側參數等對低溫領域AAVs換熱性能的影響，Hy0—Min Jeong[5]等用數值模擬方法研究了LNG空溫式氣化器外表面霜層厚度與翅片厚度以及翅片角之間的關系，Hyo—Min Jeong和Han—Shik Chung[6]對目前應用較廣泛的8fin501e型與4fin751e型翅片管在結霜工況下換熱特性進行了實驗比較，國內的劉小川[7]利用FLUENT軟件對換熱器結霜工況下空氣側的傳熱傳質狀況進行了模擬，陳瑞球等[8]通過實驗分析了風速、肋片間距以及空氣濕度等因素對結霜工況翅片管空氣側換熱性能的影響。另外，高華偉[9]等針對LNG空溫式氣化器的換熱過程，將管內的氣化分為單相液、單相氣與兩相區3段，并建立了單相段天然氣的換熱模型，進行了數值模擬。
    由上述可以看出，以往對AAVs的研究主要集中在空氣側特性的研究，而對LNG這一特定介質的管內氣化過程的換熱研究較少。本文對LNG空溫式氣化器單根翅片管的換熱進行計算，并分析管內的相變吸熱特點。
2 LNG空溫式氣化器結構
    AAVs是由翅片管按照一定的間距并聯而成的，一般是單程式，實際運行中的LNG空溫式氣化器見圖1[10]。換熱管一般較長，為了增大空氣側的換熱面積，在換熱管的外側加裝翅片。8翅片星型翅片管見圖2[10]，目前最常用的是8翅片結構，另外還有l2翅片與4翅片結構。

圖2 8翅片星型翅片管
 本文以實際運行中的某空溫式氣化器為例，進行單根翅片管的換熱計算，計算時將翅片管分為單相液、兩相以及單相氣3區。氣化器的工作壓力為1．6 MPa，每根翅片管均為l2翅片結構，單根翅片管長度為13．316 m，內徑d1為10mm，外徑d2為l4mm，翅片高度h為80 mm，翅片厚度δ為2 mm，翅片管的材質為鋁合金。LNG中甲烷、乙烷與丙烷的摩爾分數分別為90．07%、7．36%與2．57%。LNG進入氣化器的溫度為111 K。
3 LNG管內氣化過程分析
    根據文獻[11]，LNG管內氣化機理為：當混合物進入氣化器后，沸點低、蒸氣壓高的組分先氣化，但由于液相斷斷續續和傳熱面接觸以及液體被氣泡破裂時分裂成的氣沫所氣化，導致各種組分都得到了氣化。
    LNG是由不同烴類組成的非共沸混合物，開始氣化的溫度(即泡點)與完全氣化的溫度(即露點)不同，氣化過程中溫度不斷發生變化。LNG管內氣化過程可分為過冷區、兩相區和過熱區。當溫度低于泡點時，處于單相液體換熱區；高于泡點而低于露點時，處于兩相區；高于露點時，處于單相氣體換熱區[12]。
4翅片管換熱計算
4．1 翅片管換熱計算簡化假設
    ① 剛剛進入翅片管的低溫LNG與氣化器中原有LNG的混合是在一瞬間完成的，即翅片管中LNG的溫度與各組分的組成在液體內部處處均勻。
    ② 由于氣化器工作時問比較長，故采用穩態分區計算方法。
    ③認為氣化器運行中，壓力是恒定的【8】。
    ④管流采用一維近似。
    ⑤空氣按干空氣處理。
    ⑥管外空氣側按大空間自然對流換熱處理。
4．2泡點與露點計算
    要將翅片管進行分區，首先需要計算LNG在工作壓力下的泡點與露點。在LNG的吸熱過程中，開始產生第一個氣泡時的溫度稱為泡點【13】，定義式為：
目前對烴類通常采用以下的經驗關聯式來估計Κi的近似值：
 
 
 
   
利用式(1)～(3)編制Matlab程序，計算得到該算例下LNG的泡點為l63．7 K，露點為211.2 K。
4．3單相液(氣)區換熱計算
    按從管內到管外的順序，翅片管的熱量傳遞依次為管內流體與管壁的強制對流換熱、通過管壁的導熱、管外空氣與翅片和管壁的對流換熱。
    ①管內流體的對流換熱
    管內LNG或氣態天然氣的對流換熱可以按照內部強制對流換熱的實驗準則關聯式進行計算。
   
由管內對流換熱的準則關系式(8)、(9)確定出管內流體側的表面傳熱系數α1：
   
由此可以確定出管內單位長度的對流換熱量
 
利用通過圓筒壁的導熱公式，計算沒有翅片部分管外壁的溫度ΤW，此溫度即為翅片的根部溫度。
③管外空氣側的對流換熱
 空氣側換熱可看作大空間自然對流換熱，單個翅片的換熱可以看作空氣與等截面直肋的換熱。
 首先由空氣的定性溫度Tm確定其物性參數，Tm計算公式為：
   
由于翅片管為立式安裝，故此處自然對流換熱計算選用豎壁準則關聯式：
 


 利用式(4)～(19)編制Matlab程序進行換熱計算，計算思路為：首先假設管內壁溫度Tn，利用式(4)～(10)計算出微元段管內單位長度的對流換熱量q1，然后利用式(11)計算出管外壁溫度TW，再利用式(12)～(19)計算出空氣側單位長度的自然對流換熱量q2。若說明所假設的管內壁溫度Tn不正確，需重新假設計算；若<0．05，說明假設的管內壁溫度Tn正確，即可以進行下一步長的計算。
    取空氣溫度為l0℃，步長(進行一次計算所取的管道長度)L=0．1 m，同時根據LNG達到泡點(163．7 K)時代表單相液區結束、天然氣溫度處于露點(211．2 K)與263 K之問時為單相氣區，也可以計算出單相液區和單相氣區的長度。
4．4兩相區換熱計算
    由于LNG是多元組分混合物，而混合物的沸騰換熱很復雜，因而是較難處理的，目前對二元混合物有一些沸騰傳熱系數的計算公式，但其中均含有與特定二元物質組合有關的實驗系數，其流動換熱關系式不能直接應用于本課題的LNG介質。因此，本文在進行兩相區的換熱計算時，采用簡化假設。由于LNG中甲烷的摩爾分數高達90%以上，故將此區的LNG看作甲烷。將兩相區分為流動沸騰區和缺液區，在流動沸騰區溫度保持泡點不變，在缺液區溫度由泡點升高至露點。
 ①流動沸騰區換熱計算
 常壓下沸點小于120 K的流體稱為低溫流體，其熱物性相似性判據J≥3．5(J=100 Pr，Pr指對比溫度為0．625時的對比壓力) [14] 。根據此定義，甲烷屬于低溫流體。Klimenko的方法是目前計算低溫流體流動沸騰換熱最精確的關系式[15]，該方法的具體表述如下：

由于在兩相區熱流密度變化不大，所以在缺液區取與流動沸騰區相同的熱流密度值和管內流體表面傳熱系數值。缺液區管內流體的溫度計算公式為：

 
 流動沸騰區和缺液區的管外壁溫度計算與單相液(氣)區計算相似。


  
5計算結果分析
    根據以上3個區的計算結果，可得到以下結論：
    ①經計算得翅片管的總長度為13．45 m，與翅片管的實際長度l3．316 m接近。其中單相液區最短，只占總長度的14%，兩相區占45%，單相氣區占41%。
    ②管內流體表面傳熱系數沿翅片管的分布見圖3。3區中，兩相區的管內流體表面傳熱系數最大，接近2 200 W/(m2·K)，單相液區居中，單相氣區最小。由此可見，相變的發生使得換熱強化，在較小的傳熱溫差下即可產生較大的傳熱熱流。并且由兩相區的計算得到，在本文的熱流強度、工作壓力及流量下，NCB始終小于l．2×104，說明甲烷始終處于核態沸騰換熱區，沒有出現液膜強制對流。
    ③管外壁溫度與流體溫度沿翅片管的分布見圖4。流體溫度在單相液區急劇升高；在兩相區的核態沸騰區保持不變，到達缺液區后不斷升高；在單相氣區，相對于單相液區緩慢升高。
    管外壁溫度在單相液區急劇升高，到達兩相區后有一個突降，而后保持不變，到達缺液區后逐漸升高，在單相氣區也是緩慢升高。由管外壁溫度沿翅片管的分布可以看出，在單相液區和兩相區的核態沸騰區，即從入口至管長大約6 m 處，管外壁溫度較低，容易發生結露或結霜現象。

6結論
    本文對LNG空溫式氣化器單根翅片管的換熱進行了模擬計算，計算時沿管長方向將翅片管分為單相液、兩相與單相氣3區，得出了管外壁溫度、LNG(或氣態天然氣)溫度以及管內流體表面傳熱系數沿管長的分布。翅片管的換熱計算是進行氣化器設計的關鍵，通過進行換熱過程的模擬計算，可以確定設備是否能達到預定的氣化能力，并且可以分析LNG的組成變化或環境條件改變對換熱器氣化效果的影響。本文的計算結果可以為LNG空溫式氣化器的設計與優化提供依據。
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本文作者：楊聰聰1， 焦文玲2， 楊 光3， 趙元偉3， 馬 建4
作者單位：大慶高新區規劃建筑設計院；2．哈爾濱工業大學市政環境工程學院；3．深圳市燃氣集團股份有限公司；4．大慶油田有限責任公司
 
 
 

 

    圖1 LNG空溫式氣化器