LNG蓄能換熱器的優(yōu)化設(shè)計(jì)與試驗(yàn)分析

李 健，趙鐘波，張 恒，葛 鷹,陸 建

1 前言

國(guó)內(nèi)對(duì)于LNG的研究起步于20世紀(jì)90年代，隨著冷能技術(shù)的不斷發(fā)展，LNG在軍事上的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，越來(lái)越多的燃?xì)廨啓C(jī)被應(yīng)用于軍艦中。LNG作為一種高效潔凈的能源，在為軍艦提供動(dòng)力的同時(shí)還可以降低對(duì)海洋環(huán)境的污染。但是，LNG在汽化過(guò)程中會(huì)釋放大量的冷能，如果這部分冷量不能夠被充分利用，將會(huì)造成極大的能源浪費(fèi)。因此，深入研究LNG冷能利用技術(shù)具有重大的意義［1］；同時(shí)，在某些特殊情況下，軍艦上的電力系統(tǒng)可能會(huì)出現(xiàn)問(wèn)題，此時(shí)若不能及時(shí)恢復(fù)供電則會(huì)導(dǎo)致空調(diào)等制冷設(shè)備無(wú)法正常工作，這將造成難以估計(jì)的損失，若能將LNG的冷能進(jìn)行儲(chǔ)存作為備用能源，可以有效地解決上述問(wèn)題［2］。本文從能源利用角度入手，利用ICEPAK熱仿真軟件研究一種新型LNG蓄能換熱器，通過(guò)試驗(yàn)加以驗(yàn)證，并將該換熱器應(yīng)用于制冷設(shè)備中，使儲(chǔ)存的冷能可以供一臺(tái)3 kW的空調(diào)連續(xù)工作1.5 h。

2 LNG蓄能冷換熱原理與工藝計(jì)算

2.1 蓄能換熱原理

LNG常壓下溫度很低，如果直接和空氣進(jìn)行熱交換會(huì)導(dǎo)致空氣中的二氧化碳和水蒸氣結(jié)冰，直接影響換熱效果。因此，為了提高LNG冷能的利用效率，需要對(duì)LNG換熱系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。原理如圖1，該系統(tǒng)采用65號(hào)航空冷卻液（冰點(diǎn)為-55 ℃）作為儲(chǔ)冷液，將LNG釋放的冷量進(jìn)行儲(chǔ)存。采用濃度為55%的乙二醇溶液（冰點(diǎn)為-41℃）作為取冷液［3］，將LNG的冷量通過(guò)儲(chǔ)冷液間接提取并輸送至用冷設(shè)備中，從而實(shí)現(xiàn)LNG冷能的回收利用［4］。

圖1 蓄能換熱裝器示意

2.2 工藝計(jì)算

LNG通常存儲(chǔ)在-141 ℃的儲(chǔ)罐中（壓力為0.2～0.4 MPa），當(dāng)液化天然氣轉(zhuǎn)化為氣態(tài)天然氣時(shí)，必然會(huì)釋放大量的冷能。LNG汽化過(guò)程中潛熱與顯熱交換溫差為150～180 ℃，LNG潛熱為515 kJ/kg，比熱容為 2.14kJ/(kg·℃ )［5］。通過(guò)蓄冷劑（65號(hào)航空冷卻液）的熱負(fù)荷Q為：

式中 r ——熔解潛熱

cp——比熱容

t1-t2——溫度差

m ——LNG的質(zhì)量，m=ρv

η——換熱效率

ρ ——密度

v ——體積

其中，65號(hào)航空冷卻液的物理性質(zhì)和60%乙二醇水溶液相似，乙二醇作為重要的取冷劑，其物理性質(zhì)如表1所示［6］。

表1 不同濃度下乙二醇的物理性質(zhì)

根據(jù)式（1）計(jì)算可知：供一臺(tái)功率為3 kW的空調(diào)連續(xù)工作1.5 h所需65號(hào)航空冷卻液的體積約 25 L［7］。

3 LNG蓄能換熱器結(jié)構(gòu)

LNG蓄能換熱器采用新型的板式結(jié)構(gòu)，與傳統(tǒng)的換熱器相比具有明顯的特點(diǎn)。首先該結(jié)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)LNG、乙二醇溶液和65號(hào)航空冷卻液這3種流體的換熱；其次蓄能換熱器采用模塊化設(shè)計(jì)，使蓄能換熱器的安裝及操作不需要借助其他的外部動(dòng)力設(shè)備，大大降低了生產(chǎn)成本和操作難度，同時(shí)有效地減輕了設(shè)備的重量；最后焊接工藝采用較為先進(jìn)的擴(kuò)散焊，為提高擴(kuò)散焊的焊接質(zhì)量，在蓄能換熱器中設(shè)計(jì)有4個(gè)規(guī)格相同的銷(xiāo)孔用于安裝定位銷(xiāo)，目的是保證不同換熱板之間的準(zhǔn)確定位。另外，在換熱器中增加了多個(gè)導(dǎo)氣槽，使焊接過(guò)程中產(chǎn)生的氣體能夠及時(shí)導(dǎo)出設(shè)備，由此保證了設(shè)備的安全性和密封性。

換熱片采用相互倒置的60°人字形波紋板，構(gòu)成了橫截面多變、曲折的流道，使流體在流道內(nèi)呈旋轉(zhuǎn)三維流動(dòng)，從而在較低的雷諾數(shù)下發(fā)生紊流，提高了換熱系數(shù)，強(qiáng)化了換熱效率［8］。波紋板加工后的最小厚度為1 mm，降低了壁面的熱阻。因污垢很薄，故其熱阻較小，另外也不會(huì)出現(xiàn)像管殼式換熱器那樣的旁路流。與管殼式換熱器相比較，這種結(jié)構(gòu)使設(shè)備的總傳熱系數(shù)提高了3倍左右［9］。

LNG蓄能換熱器的結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 LNG蓄能換熱器結(jié)構(gòu)

LNG蓄能換熱器由3個(gè)基本層組成，依次為取冷層，蓄冷層，LNG層，其中取冷層的取冷液采用濃度為55%的乙二醇溶液，蓄冷層的蓄冷液采用65號(hào)航空冷卻液。蓄能換熱器由10塊波紋板構(gòu)成，形成9個(gè)腔體，其中LNG層占2個(gè)，取冷層占3個(gè)，蓄冷層占4個(gè)。蓄冷液的體積膨脹系數(shù)是0.00056 ℃，在溫差80 ℃的情況下，25 L的蓄冷液膨脹后的體積為26.12 L，因此蓄冷層的體積定為27 L。

波紋板的材料選用2519-T87鋁合金，該材料是一種耐低溫材料，其導(dǎo)熱性能僅次于銀、銅和金，且密度較小，低溫與常溫狀態(tài)下機(jī)械性能相比有較大的差別，其主要的物理性質(zhì)（脆性和強(qiáng)度）隨著環(huán)境溫度的降低而升高，這是區(qū)別于其他金屬材料的重要性質(zhì)。2519-T87鋁合金低溫下的拉伸性能如表 2 所示［10～14］。

表2 2519-T87鋁合金拉伸性能

4 仿真與優(yōu)化設(shè)計(jì)

4.1 建模與仿真參數(shù)設(shè)置

LNG蓄能換熱器上設(shè)置有取冷層、蓄冷層、LNG層，其中LNG層兩側(cè)是蓄冷層（內(nèi)置蓄冷液），蓄冷層另一側(cè)是取冷層（內(nèi)置取冷液）。LNG的質(zhì)量流量為30 kg/h，冷能約4.5 kW，工作時(shí)LNG冷能由蓄冷液進(jìn)行儲(chǔ)存，經(jīng)取冷液提取后供艦載空調(diào)等設(shè)備使用。LNG蓄能換熱器的外形尺寸為 600 mm×450 mm×110 mm，材質(zhì)為2519-T87鋁合金，仿真模型如圖3所示。

圖3 LNG蓄能換熱器三維模型

將模型導(dǎo)入ICEPAK中，并設(shè)置邊界條件。計(jì)算模型設(shè)置為T(mén)urbulent里的zero equation，環(huán)境溫度為40 ℃，輻射溫度為40 ℃。鋁板材料設(shè)置為Al-Extruded（與2519-T87鋁合金導(dǎo)熱系數(shù)較接近），表面材料設(shè)置為Al-Polished Platesurface，默認(rèn)流體設(shè)置為Glycol-55和LNG，蓄冷液總體積為25 L(兩側(cè)各12.5 L)。在每層流道的進(jìn)出水口設(shè)置2個(gè)Opening，LNG進(jìn)口流量為3 L/min，取冷液進(jìn)口流量為2 L/min。蓄冷液定義為熱源，將LNG定義為冷源，冷源功率為4.5 kW。

4.2 仿真結(jié)果分析

對(duì)LNG蓄能換熱器進(jìn)行熱仿真，分別截取LNG、取冷液（QLY）進(jìn)出口參數(shù)明細(xì)表。由表3、表4可知，換熱量約為2454 W。LNG進(jìn)口溫度-145.7 ℃，出口溫度-134.3 ℃；取冷液進(jìn)口溫度40.8 ℃，出液溫度為12.3 ℃。空調(diào)使用溫度一般在16～30 ℃，因此能夠滿足空調(diào)的使用工況。

表3 進(jìn)、出口換熱量

表4 進(jìn)、出口溫度明細(xì)

截取LNG蓄能換熱器蓄冷層溫度如圖4所示。由圖4可知，靠近LNG層蓄冷液溫度較低，可達(dá)-152.942 ℃，而遠(yuǎn)離LNG蓄冷液溫度較高可達(dá)30.0616 ℃，針對(duì)這種情況，在溫度計(jì)算時(shí)采用對(duì)數(shù)平均溫度計(jì)算法。

圖4 溫度云圖

從圖4可以看出，LNG在蓄冷的初期溫度變化比較劇烈，故初期不宜對(duì)冷能進(jìn)行提取。當(dāng)蓄冷一段時(shí)間后，蓄冷液達(dá)到其熔點(diǎn)后發(fā)生相變并開(kāi)始蓄冷，此時(shí)適宜開(kāi)啟取冷液為空調(diào)提供冷量。

5 試驗(yàn)分析

5.1 試驗(yàn)設(shè)備及材料

為了驗(yàn)證LNG蓄能換熱器的蓄冷效果和取冷效果，設(shè)計(jì)試驗(yàn)對(duì)其進(jìn)行熱測(cè)試。試驗(yàn)裝置及材料包括恒溫恒濕試驗(yàn)箱（溫度范圍-55 ℃～100℃），采集模塊，臺(tái)式電腦，一臺(tái)小型液體泵，小型LNG儲(chǔ)罐，溫度傳感器（精度0.15 ℃，4個(gè)），玻璃轉(zhuǎn)子流量計(jì)（1個(gè)），65號(hào)航空冷卻液（蓄冷液），55%乙二醇（取冷液），LNG蓄能換熱器一臺(tái)，空調(diào)一臺(tái)(3 kW)，閥門(mén)（若干），金屬軟管（若干）等，所有儀表都經(jīng)過(guò)標(biāo)準(zhǔn)校合。

5.2 試驗(yàn)過(guò)程

取50 L濃度為55%的乙二醇作取冷液（理論冰點(diǎn)為-37 ℃），取25L65號(hào)航空冷卻液作蓄冷液（理論冰點(diǎn)為-55 ℃），將蓄冷液填裝進(jìn)入蓄能換熱器中。

液體泵不開(kāi)啟，通入LNG觀察溫度傳感器（T1）的變化并記錄T1的示數(shù)。每間隔5 min記錄一次，當(dāng)T1讀數(shù)穩(wěn)定后停止通入LNG同時(shí)停止數(shù)據(jù)記錄。

停止通入LNG后，將試驗(yàn)設(shè)備中兩個(gè)截止閥打到全開(kāi)狀態(tài)并開(kāi)啟液體泵，調(diào)節(jié)流量調(diào)節(jié)閥使流量達(dá)到2 L/min。

觀察玻璃轉(zhuǎn)子流量計(jì)（L1），當(dāng)流量穩(wěn)定后記錄T2、T3、T4的示數(shù)。每間隔5 min記錄一組數(shù)據(jù)，設(shè)定LNG的質(zhì)量流量為30 kg/h。熱測(cè)試系統(tǒng)連接如圖5所示。

圖5 熱測(cè)試系統(tǒng)連接示意

5.3 試驗(yàn)結(jié)果分析

LNG蓄能換熱器的試驗(yàn)測(cè)試曲線如圖6所示，經(jīng)翅片管換熱器后的溫度曲線在15.1 ℃左右趨于穩(wěn)定，能夠滿足空調(diào)系統(tǒng)的正常用冷；經(jīng)LNG蓄能換熱器后取冷液的溫度曲線在14 ℃左右趨于穩(wěn)定；經(jīng)LNG蓄能換熱器后天然氣的溫度曲線在-135 ℃趨于穩(wěn)定，比仿真結(jié)果高0.8 ℃。通過(guò)折線圖可以看出，LNG冷能儲(chǔ)存的時(shí)間為約20 min,取冷液出液溫度約14 ℃，比仿真結(jié)果高1.7 ℃。由于測(cè)試點(diǎn)與最低溫度點(diǎn)可能存在誤差，環(huán)境溫度有微小波動(dòng)，還有熱阻等方面的影響，仿真結(jié)果與測(cè)試結(jié)果存在一定微小差異，但仿真結(jié)果與測(cè)試結(jié)果相差不大，由此可確定ICEPAK熱仿真的可靠性。

圖6 試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果曲線

6 結(jié)論

（1）通過(guò)仿真計(jì)算及試驗(yàn)分析可知，采用60°人字形波紋板結(jié)構(gòu)可以大大增加蓄能換熱器的換熱面積，同時(shí)能夠滿足空調(diào)的正常使用并將LNG的冷能進(jìn)行儲(chǔ)存。

（2）本設(shè)備可供一臺(tái)3 kW的空調(diào)連續(xù)工作1.5 h，LNG儲(chǔ)存的冷能約為4.5 kW。

（3）本設(shè)備的最大特點(diǎn)在于蓄能換熱器中設(shè)計(jì)有一定體積的蓄冷腔體，腔體的大小可根據(jù)所需儲(chǔ)能的多少而改變，使冷能的儲(chǔ)存和轉(zhuǎn)換能夠在同一設(shè)備內(nèi)進(jìn)行，極大地提高了換熱效率。

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