新型LNG輸送管道保冷層的傳熱特性研究

郭斌 李雪蕊 梅寧

【摘 要】二烯烴閉泡聚合物與丁晴橡膠閉泡聚合物組合的Armaflex低溫體系在LNG保冷領(lǐng)域具有較好的應(yīng)用前景。本文考慮材料變導(dǎo)熱系數(shù)，利用CFD技術(shù)對(duì)該種組合的保冷層的傳熱特性進(jìn)行了研究，當(dāng)保冷層間存在空氣間隙時(shí)，其溫度分布和溫度梯度都有規(guī)律性變化，并得出保冷層間存在空氣間隙能有效降低輸送管道的冷損失。

【關(guān)鍵詞】 Armaflex低溫體系 LNG 變導(dǎo)熱系數(shù) CFD

隨著世界經(jīng)濟(jì)的迅猛發(fā)展以及我國(guó)能源結(jié)構(gòu)的調(diào)整，探求綠色能源及節(jié)能環(huán)保成為各國(guó)能源政策的重中之重[1-2]。作為傳統(tǒng)綠色能源的天然氣，它的需求量隨之上升，而液化天然氣（LNG）方便天然氣的儲(chǔ)存和運(yùn)輸。天然氣在加工處理和液化、運(yùn)輸過程中需要采用大量低溫深冷工藝，因此管道的絕熱保冷設(shè)計(jì)是一個(gè)非常重要的問題。材料的保冷設(shè)計(jì)選取不合適，不僅會(huì)造成投資浪費(fèi)，還會(huì)影響到液化天然氣輸送[3-4]。由德國(guó)阿樂斯國(guó)際有限公司研制開發(fā)的Armaflex低溫體系，有非常好的絕熱保冷功能，還有重復(fù)利用等優(yōu)點(diǎn)。

設(shè)計(jì)保冷層時(shí)，通常采用平均導(dǎo)熱系數(shù)進(jìn)行計(jì)算，而大部分材料的導(dǎo)熱系數(shù)隨著溫度的變化而變化。本文考慮了丁晴橡膠低溫閉泡聚合物與二烯烴低溫閉泡聚合物的變導(dǎo)熱系數(shù)特性，利用FLUENT軟件對(duì)該種組合保冷層的傳熱特性進(jìn)行仿真研究，獲得了材料內(nèi)部的溫度分布情況。分析了保冷材料層間有無(wú)空氣間隙兩種情況下保冷層內(nèi)部溫度分布及溫度梯度差異，進(jìn)一步得出對(duì)保冷性能的影響，為L(zhǎng)NG管道保冷材料的選取及安裝做出了一些探索。

1 數(shù)值模型的建立

1.1物理模型

Armaflex低溫體系直接敷設(shè)在低溫輸送管道上，二烯烴低溫閉泡聚合物耐低溫，適宜-165℃～-50℃溫度范圍，為內(nèi)保冷層。丁晴橡膠低溫閉泡聚合物適于高于-50℃的情況，為外保冷層[5-6]。LNG輸送管道的直徑d=50mm，內(nèi)保冷層直徑為d1=144mm，外保冷層直徑為d2=230mm。圖1為保冷層的示意圖。

物理模型如下：

（1）保冷層內(nèi)為圓柱坐標(biāo)系下沿半徑方向的一維導(dǎo)熱問題；

（2）保冷材料的導(dǎo)熱系數(shù)與溫度呈分段一次函數(shù)關(guān)系；

（3）空氣間隙內(nèi)為層流；

（4）輸送管道為恒定壁溫，保冷材料外壁面為對(duì)流換熱形式。

1.2數(shù)學(xué)模型

本文數(shù)值模擬分兩種情況：一種是材料間無(wú)縫配合，接觸熱阻為零；一種是材料間有空氣間隙。空氣間隙設(shè)定為1mm，可忽略體積力以及黏性引起的熱耗散，其流動(dòng)與傳熱問題，控制方程可表示為

（1）

式中： 為通用變量，代表 、 、 、T等求解變量； 為廣義擴(kuò)散系數(shù)；S為廣義源項(xiàng)。

保冷材料的導(dǎo)熱問題歸為柱坐標(biāo)系中的導(dǎo)熱問題。該過程可以簡(jiǎn)化為常物性、無(wú)內(nèi)熱源的一維導(dǎo)熱問題。對(duì)于單層保溫材料，導(dǎo)熱微分方程簡(jiǎn)化為

（2）

設(shè)保冷材料導(dǎo)熱系數(shù)λ為溫度T的一次函數(shù)，即：

（3）

將（3）代入（2）積分求解得：

（4）

式中：ρ為空氣的密度，T為溫度，T1、T2分別為保冷層內(nèi)外壁溫度， r為半徑，r1、r2保冷層內(nèi)外壁半徑，λ為保冷材料導(dǎo)熱系數(shù)，λ0、b為常數(shù)。

1.3 材料物性及邊界條件

二烯烴低溫閉泡聚合物導(dǎo)熱系數(shù)如下：

（-165℃≤T<-100℃） （5）

（-100℃≤T≤-50℃） （6）

丁晴橡膠低溫閉泡聚合物導(dǎo)熱系數(shù)如下：

（-50℃≤T≤20℃） （7）

管道輸送的LNG介質(zhì)溫度為-163℃，則設(shè)輸送管道壁溫為該溫度。環(huán)境參數(shù)以夏季參數(shù)為計(jì)算輸入，露點(diǎn)溫度23℃，環(huán)境溫度按照25℃計(jì)算。管外壁至大氣的放熱系數(shù)為23.753 W/（m2·℃） ，此處放熱系數(shù)包含管道外壁與大氣的對(duì)流換熱和輻射過程，在計(jì)算過程中將輻射視為對(duì)流換熱的一部分。

2計(jì)算結(jié)果及分析

本文針對(duì)丁晴橡膠低溫閉泡聚合物與二烯烴低溫閉泡聚合物組合的LNG保冷層，其厚度依據(jù)變導(dǎo)熱系數(shù)計(jì)算公式進(jìn)行計(jì)算所得。將1mm厚的空氣間隙設(shè)于半徑r=72mm處，材料間空氣間隙對(duì)保冷效果的影響是本文的工作重點(diǎn)。為針對(duì)性的分析保冷層傳熱特性，取其中間的徑向截面溫度場(chǎng)來進(jìn)行分析，計(jì)算所得LNG低溫管道的溫度分布結(jié)果如圖2所示，圖2（a）為沒有空氣間隙模型計(jì)算得到的溫度分布云圖，圖2（b）為有空氣間隙模型計(jì)算得到的溫度分布云圖。

由圖2看出加空氣間隙與否對(duì)保冷層內(nèi)溫度分布有影響但不明顯。模擬結(jié)果中，空氣間隙處的溫度約為245K，在該溫度下二烯烴低溫閉泡聚合物的導(dǎo)熱系數(shù)為0.0366W/（m·K），丁晴橡膠低溫閉泡聚合物的導(dǎo)熱系數(shù)為0.0302W/（m·K），而空氣的換熱系數(shù)為0.021 W/（m·K）。則在該位置處，導(dǎo)熱系數(shù)存在跳變。導(dǎo)熱系數(shù)的跳變將引起保冷層內(nèi)溫度分布及溫度梯度的變化，整個(gè)保冷層的保冷性能也將受到影響。

在材料截面徑向取不同位置處的溫度，如表1所示。表中可以看出有空氣間隙時(shí)，徑向不同位置的同一位置點(diǎn)的溫度與沒有空氣間隙情況下的溫度不同，說明空氣間隙影響了整個(gè)保冷層的溫度分布。

圖3為保冷層徑向各位置的溫度差，由圖可知內(nèi)管壁處和保冷材料外壁處，兩種情況的溫度差基本為零。空氣間隙處的溫度差出現(xiàn)跳變。整體的溫度差趨勢(shì)為先增大后減小，峰值處于空氣間隙設(shè)置位置處。

半徑/mm

圖3溫度差曲線

各點(diǎn)溫度分布出現(xiàn)變化，則溫度梯度隨之變化。各點(diǎn)的熱流率由材料導(dǎo)熱系數(shù)和該點(diǎn)的溫度梯度決定，而導(dǎo)熱系數(shù)與溫度直接相關(guān)，則該點(diǎn)的溫度與溫度梯度直接決定了該點(diǎn)的熱流率。圖4為有無(wú)空氣間隙兩種情況下保冷材料溫度梯度分布的差異。

半徑/mm

圖4溫度梯度曲線

無(wú)論是否加有空氣間隙，保冷層內(nèi)溫度梯度隨半徑的增大而呈下降趨勢(shì)。由圖5可知，丁晴橡膠低溫閉泡聚合物與二烯烴低溫閉泡聚合物兩層保冷材料貼合處，溫度梯度出現(xiàn)折點(diǎn)。二烯烴低溫閉泡聚合物保冷層內(nèi)，設(shè)有空氣間隙情況的溫度梯度大于材料緊密貼合情況的溫度梯度；在丁晴橡膠低溫閉泡聚合物保冷層內(nèi)，設(shè)有空氣間隙情況的溫度梯度小于材料緊密貼合情況的溫度梯度。而兩層材料貼合處，有空氣間隙的溫度梯度又大于沒有空氣間隙的溫度梯度。

加入空氣間隙，單位長(zhǎng)度的輸送管道冷損失率為20.49W，沒有空氣間隙的管道冷損失率為21.96W。即加入空氣間隙，單位長(zhǎng)度輸送管道冷損失率減少1.47W。因此，加入空氣間隙有利于減少冷損失，并且作用比較明顯。

3 結(jié)語(yǔ)

（1）本文通過數(shù)值仿真，分析了Armaflex低溫體系的傳熱機(jī)理與傳熱特性。直觀的得到了保冷層內(nèi)的溫度分布。

（2）對(duì)無(wú)縫貼合模型和加入空氣間隙模型的模擬結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，得到了兩種模型的溫度分布情況以及溫度梯度變化情況，其結(jié)果表明空氣間隙將改變保冷層內(nèi)的溫度分布，進(jìn)而影響保冷層的保冷性能。

（3）加入空氣間隙后，輸送管道冷損失率小于沒有空氣間隙的冷損失率，單位長(zhǎng)度輸送管道冷損失率相差1.47W，即加入空氣間隙有利于減少冷損失，并且作用明顯。

參考文獻(xiàn)：

[1] 劉亦文.能源消費(fèi)、碳排放與經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)的可計(jì)算一般均衡分析[D].湖南大學(xué)， 2013.

[2] 劉書英.我國(guó)低碳經(jīng)濟(jì)發(fā)展研究[D].天津大學(xué)，2012.

[3] 劉建輝.天然氣儲(chǔ)運(yùn)關(guān)鍵技術(shù)研究及技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析[D]. 華南理工大學(xué)， 2012.

[4] 付現(xiàn)橋，陳玨伶，徐敬 等.國(guó)內(nèi)外關(guān)于 LNG 管道保冷層厚度設(shè)計(jì)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)分析[J]. 當(dāng)代化工， 2014，43（3）：356-359.

[5] 顧安忠 等.液化天然氣技術(shù)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2004 .

[6] 生動(dòng).LNG項(xiàng)目柔性材料管道保冷施工[J].管道技術(shù)與設(shè)備，2014，06：35-36 +42.