摘要：對(duì)于LNG空溫式氣化器的單根翅片管進(jìn)行模擬換熱計(jì)算，計(jì)算時(shí)將翅片管分為單項(xiàng)液、兩項(xiàng)以及單項(xiàng)氣3區(qū)，得出了管外壁溫度、管內(nèi)流體溫度以及管內(nèi)流體表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)沿管長(zhǎng)的分布。
關(guān)鍵詞：液化天然氣；空溫式氣化器；換熱計(jì)算；三區(qū)模型
Abstract：The heat transfer calculation of a single finned-tube in ambient air Vaporinzer is simulated．The sing1e finned-tube is divided into 3 areas including single-phase fluid,two phases and single-phase gas. The distributions of external wall temperature，intemal fluid temperature and the surface heat transfer coefficient of the internal fluid along the length are obtained.
Key words：LNG；ambient air vaporizer；heat transfer calculation；three—area model
1概述
隨著經(jīng)濟(jì)的持續(xù)穩(wěn)步增長(zhǎng)，我國(guó)的能源需求量不斷增大。據(jù)BP世界能源統(tǒng)計(jì)結(jié)果，2000-2008年我國(guó)各類一次能源的年均增長(zhǎng)率中，天然氣的增幅達(dá)到了l5％，明顯高于煤炭和石油[1]。常壓下將天然氣冷卻至
我國(guó)陸續(xù)規(guī)劃和建造了多座大型LNG接收終端、LNG生產(chǎn)廠以及LNG衛(wèi)星站，我國(guó)LNG產(chǎn)業(yè)進(jìn)入快速發(fā)展階段，LNG產(chǎn)業(yè)鏈日趨成熟。
對(duì)各種LNG氣化器的經(jīng)濟(jì)以及環(huán)境對(duì)比顯示，空溫式氣化器(ambient air vaporizers，簡(jiǎn)稱AAVs)以其節(jié)能環(huán)保的優(yōu)勢(shì)得到了大力提倡[2]，在LNG氣化
站中AAVs已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用，近年來大型的LNG接收終端也開始采用AAVs來實(shí)現(xiàn)LNG的氣化。
目前國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)AAVs的研究已經(jīng)取得一定的成果。Lee[3]與Kong[4]分別通過實(shí)驗(yàn)與數(shù)方法研究了翅片管形式、翅片角、空氣側(cè)參數(shù)等對(duì)低溫領(lǐng)域AAVs換熱性能的影響，Hyo-Min Jeong[5]等用數(shù)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(guān)系，Hyo-Min Jeong和Han-Shik Chung[6]對(duì)目前應(yīng)用較廣泛的8fin501e型與4fin751e型翅片管在結(jié)霜工況下?lián)Q熱特性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)比較，國(guó)內(nèi)的劉小川[7]利用FLUENT軟件對(duì)換熱器結(jié)霜工況下空氣側(cè)的傳熱傳質(zhì)狀況進(jìn)行了模擬，陳瑞球等[8]通過實(shí)驗(yàn)分析了風(fēng)速、肋片間距以及空氣濕度等因素對(duì)結(jié)霜工況翅片管空氣側(cè)換熱性能的影響。另外，高華偉[9]等針對(duì)LNG空溫式氣化器的換熱過程，將管內(nèi)的氣化分為單相液、單相氣與兩相區(qū)3段，并建立了單相段天然氣的換熱模型，進(jìn)行了數(shù)值模擬。
由上述可以看出，以往對(duì)AAVs的研究主要集中在空氣側(cè)特性的研究，而對(duì)LNG這一特定介質(zhì)的管內(nèi)氣化過程的換熱研究較少。本文對(duì)LNG空溫式氣化器單根翅片管的換熱進(jìn)行計(jì)算，并分析管內(nèi)的相變吸熱特點(diǎn)。
2 LNG空溫式氣化器結(jié)構(gòu)
AAVs是由翅片管按照一定的間距并聯(lián)而成的，一般是單程式，實(shí)際運(yùn)行中的LNG空溫式氣化器見圖1[10]。換熱管一般較長(zhǎng)，為了增大空氣側(cè)的換熱面積，在換熱管的外側(cè)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(jié)構(gòu)，另外還有l2翅片與4翅片結(jié)構(gòu)。
本文以實(shí)際運(yùn)行中的某空溫式氣化器為例，進(jìn)行單根翅片管的換熱計(jì)算，計(jì)算時(shí)將翅片管分為單相液、兩相以及單相氣3區(qū)。氣化器的工作壓力為1．6 MPa，每根翅片管均為l2翅片結(jié)構(gòu)，單根翅片管長(zhǎng)度為13．
3 LNG管內(nèi)氣化過程分析
根據(jù)文獻(xiàn)[11]，LNG管內(nèi)氣化機(jī)理為：當(dāng)混合物進(jìn)入氣化器后，沸點(diǎn)低、蒸氣壓高的組分先氣化，但由于液相斷斷續(xù)續(xù)和傳熱面接觸以及液體被氣泡破裂時(shí)分裂成的氣沫所氣化，導(dǎo)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?xì)饣臏囟?span lang="EN-US">(即泡點(diǎn))與完全氣化的溫度(即露點(diǎn))不同，氣化過程中溫度不斷發(fā)生變化。LNG管內(nèi)氣化過程可分為過冷區(qū)、兩相區(qū)和過熱區(qū)。當(dāng)溫度低于泡點(diǎn)時(shí)，處于單相液體換熱區(qū)；高于泡點(diǎn)而低于露點(diǎn)時(shí)，處于兩相區(qū)；高于露點(diǎn)時(shí)，處于單相氣體換熱區(qū)[12]。
4翅片管換熱計(jì)算
4．1 翅片管換熱計(jì)算簡(jiǎn)化假設(shè)
①剛剛進(jìn)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(nèi)部處處均勻。
② 由于氣化器工作時(shí)間比較長(zhǎng)，故采用穩(wěn)態(tài)分區(qū)計(jì)算方法。
③認(rèn)為氣化器運(yùn)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(cè)按大空間自然對(duì)流換熱處理。
4．2泡點(diǎn)與露點(diǎn)計(jì)算
要將翅片管進(jìn)行分區(qū)，首先需要計(jì)算LNG在工作壓力下的泡點(diǎn)與露點(diǎn)。在LNG的吸熱過程中，開始產(chǎn)生第一個(gè)氣泡時(shí)的溫度稱為泡點(diǎn)[13]，定義式為：
最后一個(gè)液滴消失時(shí)的溫度稱為露點(diǎn)[13]，定義式為：
利用式(1)～(3)編制Matlab程序，計(jì)算得到該算例下LNG的泡點(diǎn)為l63.7 K，露點(diǎn)為211.2 K。
4．3單相液(氣)區(qū)換熱計(jì)算
按從管內(nèi)到管外的順序，翅片管的熱量傳遞依次為管內(nèi)流體與管壁的強(qiáng)制對(duì)流換熱、通過管壁的導(dǎo)熱、管外空氣與翅片和管壁的對(duì)流換熱。
①管內(nèi)流體的對(duì)流換熱
管內(nèi)LNG或氣態(tài)天然氣的對(duì)流換熱可以按照內(nèi)部強(qiáng)制對(duì)流換熱的實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)則關(guān)聯(lián)式進(jìn)行計(jì)算。
由管內(nèi)對(duì)流換熱的準(zhǔn)則關(guān)系式(8)、(9)確定出管內(nèi)流體側(cè)的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)α1：
由此可以確定出管內(nèi)單位長(zhǎng)度的對(duì)流換熱量ql：
②通過管壁的導(dǎo)熱
利用通過圓筒壁的導(dǎo)熱公式，計(jì)算沒有翅片部分管外壁的溫度Tw，此溫度即為翅片的根部溫度。
③管外空氣側(cè)的對(duì)流換熱
空氣側(cè)換熱可看作大空間自然對(duì)流換熱，單個(gè)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(shù)，Tm計(jì)算公式為：
由于翅片管為立式安裝，故此處自然對(duì)流換熱計(jì)算選用豎壁準(zhǔn)則關(guān)聯(lián)式：
利用式(4)～(19)編制Matlab程序進(jìn)行換熱計(jì)算，計(jì)算思路為：首先假設(shè)管內(nèi)壁溫度Tn，利用式(4)～(10)計(jì)算出微元段管內(nèi)單位長(zhǎng)度的對(duì)流換熱量q1，然后利用式(11)計(jì)算出管外壁溫度Tw，再利用式(12)～(19)計(jì)算出空氣側(cè)單位長(zhǎng)度的自然對(duì)流換熱量q2。若
，說明所假設(shè)的管內(nèi)壁溫度Tn不正確，需重新假設(shè)計(jì)算；若
，說明假設(shè)的管內(nèi)壁溫度Tn正確，即可以進(jìn)行下一步長(zhǎng)的計(jì)算。
取空氣溫度為l
4．4兩相區(qū)換熱計(jì)算
由于LNG是多元組分混合物，而混合物的沸騰換熱很復(fù)雜，因而是較難處理的，目前對(duì)二元混合物有一些沸騰傳熱系數(shù)的計(jì)算公式，但其中均含有與特定二元物質(zhì)組合有關(guān)的實(shí)驗(yàn)系數(shù)，其流動(dòng)換熱關(guān)系式不能直接應(yīng)用于本課題的LNG介質(zhì)。因此，本文在進(jìn)行兩相區(qū)的換熱計(jì)算時(shí)，采用簡(jiǎn)化假設(shè)。由于LNG中甲烷的摩爾分?jǐn)?shù)高達(dá)90％以上，故將此區(qū)的LNG看作甲烷。將兩相區(qū)分為流動(dòng)沸騰區(qū)和缺液區(qū)，在流動(dòng)沸騰區(qū)溫度保持泡點(diǎn)不變，在缺液區(qū)溫度由泡點(diǎn)升高至露點(diǎn)。
①流動(dòng)沸騰區(qū)換熱計(jì)算
常壓下沸點(diǎn)小于120 K的流體稱為低溫流體，其熱物性相似性判據(jù)J≥3.5(J=100 pr，pr指對(duì)比溫度為0.625時(shí)的對(duì)比壓力)[14]。根據(jù)此定義，甲烷屬于低溫流體。Klimenko的方法是目前計(jì)算低溫流體流動(dòng)沸騰換熱最精確的關(guān)系式[15]，該方法的具體表述如下：
②缺液區(qū)換熱計(jì)算
由于在兩相區(qū)熱流密度變化不大，所以在缺液區(qū)取與流動(dòng)沸騰區(qū)相同的熱流密度值和管內(nèi)流體表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)值。缺液區(qū)管內(nèi)流體的溫度計(jì)算公式為：
流動(dòng)沸騰區(qū)和缺液區(qū)的管外壁溫度計(jì)算與單相液(氣)區(qū)計(jì)算相似。
5計(jì)算結(jié)果分析
根據(jù)以上3個(gè)區(qū)的計(jì)算結(jié)果，可得到以下結(jié)論：
①經(jīng)計(jì)算得翅片管的總長(zhǎng)度為
②管內(nèi)流體表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)沿翅片管的分布見圖3。3區(qū)中，兩相區(qū)的管內(nèi)流體表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)最大，接近2 200 W／(m2·K)，單相液區(qū)居中，單相氣區(qū)最小。由此可見，相變的發(fā)生使得換熱強(qiáng)化，在較小的傳熱溫差下即可產(chǎn)生較大的傳熱熱流。并且由兩相區(qū)的計(jì)算得到，在本文的熱流強(qiáng)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(tài)沸騰換熱區(qū)，沒有出現(xiàn)液膜強(qiáng)制對(duì)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(qū)急劇升高；在兩相區(qū)的核態(tài)沸騰區(qū)保持不變，到達(dá)缺液區(qū)后不斷升高；在單相氣區(qū)，相對(duì)于單相液區(qū)緩慢升高。
管外壁溫度在單相液區(qū)急劇升高，到達(dá)兩相區(qū)后有一個(gè)突降，而后保持不變，到達(dá)缺液區(qū)后逐漸升高，在單相氣區(qū)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(qū)和兩相區(qū)的核態(tài)沸騰區(qū)，即從人口至管長(zhǎng)大約6m處，管外壁溫度較低，容易發(fā)生結(jié)露或結(jié)霜現(xiàn)象。
6結(jié)論
本文對(duì)LNG空溫式氣化器單根翅片管的換熱進(jìn)行了模擬計(jì)算，計(jì)算時(shí)沿管長(zhǎng)方向?qū)⒊崞芊譃閱蜗嘁骸上嗯c單相氣3區(qū)，得出了管外壁溫度、LNG(或氣態(tài)天然氣)溫度以及管內(nèi)流體表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)沿管長(zhǎng)的分布。翅片管的換熱計(jì)算是進(jìn)行氣化器設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，通過進(jìn)行換熱過程的模擬計(jì)算，可以確定設(shè)備是否能達(dá)到預(yù)定的氣化能力，并且可以分析LNG的組成變化或環(huán)境條件改變對(duì)換熱器氣化效果的影響。本文的計(jì)算結(jié)果可以為LNG空溫式氣化器的設(shè)計(jì)與優(yōu)化提供依據(jù)。
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本文作者：楊聰聰 焦文玲 楊 光 趙元偉 馬 建
作者單位：大慶高新區(qū)規(guī)劃建筑設(shè)計(jì)院 哈爾濱工業(yè)大學(xué)市政環(huán)境工程學(xué)院 深圳市燃?xì)饧瘓F(tuán)股份有限公司 大慶油田有限責(zé)任公司
