空溫式氣化器綜述

嚴 樂

（西安石油大學，陜西 西安 710065）

隨著我國經濟的不斷發(fā)展，環(huán)境問題也日益嚴重，發(fā)展新能源成為一項重要的舉措。新能源主要包括太陽能、風能、地熱能和核能等。而隨著能源產業(yè)結構的不斷優(yōu)化升級，煤炭，石油等一次能源所占比重逐漸減少，天然氣作為一種清潔優(yōu)質能源，由于其高效。無污染的優(yōu)勢進入人們的視野。我國煤炭資源豐富，石油資源短缺，天燃氣匱乏，使許多大中城市出現(xiàn)了“氣荒”。為了解決供需矛盾的問題，從國外進口天然氣成為主要途徑之一。目前我國進口天然氣主要有兩個途徑：一是通過輸氣管道從俄羅斯和中東國家進口，二是在東南沿海等地以液化天然氣的方式進口[1]。而氣化器是將LNG 氣化的核心裝置，只有經過氣化器才可以將-162℃的LNG 氣化，供給用戶使用。目前空溫式氣化器是市場上常見的一種氣化器。

1 空溫式氣化器的優(yōu)點

空溫式氣化器的優(yōu)點有：

1） 空溫式氣化器用空氣作為熱源來氣化LNG，結構簡單、成本低廉，適用于具有較大場地的小型氣化站[2]。2） 氣化率高，氣化器由豎直星形翅片管和輔助加熱裝置構成。保證在環(huán)境空氣溫度-5℃以上能將-162℃的LNG 氣化成-10℃的NG，供給用戶正常使用。3） 運行成本低廉，故障率低。空溫式氣化器的運行費用為零，當環(huán)境溫度降低導致氣化量減少時，可啟用輔助加熱裝置，但此時所產生的費用只有電熱式的費用1/5 左右。4） 空溫式氣化器是依靠自身顯熱和吸收環(huán)境空氣熱量來實現(xiàn)氣化[3]。

2 空溫式氣化器的缺點

1） 空溫式氣化器由于受到其熱源是空氣的影響，所以受到地域和季節(jié)的影響也比較大。當外界空氣溫度過低時，其出口的天然氣溫度也會更低，不能滿足用戶的正常需要。因此空溫式氣化器適用于氣溫溫和的地方，如我國南方沿海城市。2） 空溫式氣化器只適用于小型氣化站，因為該氣化器是由數(shù)根豎直翅片管組成，占地面積比較大，在土地資源少的區(qū)域容易受到限制。3） 結霜問題都是空溫式氣化器運行過程中的主要困擾。結霜這種平淡無奇的自然現(xiàn)象卻包含了導熱和對流等傳熱過程，以及凝華和升華、凝固和融化等傳質過程。因此在空氣溫度較低的環(huán)境，需要增加一個加熱器進行補充加熱。在霧天空溫式氣化器翅片管表面會結冰，使其的氣化效率更加低。4） 由于結霜問題，氣化站在采用空溫式氣化器時，應選用一用一備的模式，防止正在使用的氣化器出現(xiàn)故障，導致整個氣化站出現(xiàn)氣化總量下降的問題。5) 目前國內所生產的翅片管大部分都是鋁合金材質，并且由于我國氣化器研發(fā)時間較晚，所以處處受制于國外，沒有對翅片管進行很好的優(yōu)化。

3 空溫式氣化器管外結霜

由于困擾空溫式氣化器運行的問題除了地域和季節(jié)限制，最主要的就是翅片管的外表面結霜，因此從理論上預測翅片管外霜層增長成為大多數(shù)學者研究的問題。本文通過平板結霜的計算來進行翅片管外的結霜預測。

在結霜的過程中，質量一部分用來增加霜層厚度，一部分用來增加霜層密度，熱流密度分為顯熱和潛熱，顯熱即是空氣側和接觸面結霜側的溫度差，潛熱分為兩個部分：一部分是從近壁面空氣側空氣中的水蒸氣凝華放出的熱量，還有一部分是用來增加霜層密度的水蒸氣在霜層內部釋放出來的熱量。

霜層物性的計算如下：

式中：ρice為冰的密度（kg/m3）；ρa為空氣的密度（kg/m3）；ψ 為霜層的孔隙率；λice為冰的導熱系數(shù)（W/（m·K））；Tm為霜層平均溫度，K。取霜層表面溫度和壁面溫度的算術平均值；Tm= (Tfro+Tw) /2；λa為空氣的導熱系數(shù)（W/（m·K））。

通過霜層物性的計算可以進行霜層厚度增長的計算，可以為翅片管外結霜提供理論依據。

4 空溫式氣化器的模擬計算

氣化站最常見的氣化器主要還是以直接接觸式空溫式氣化器為主，該氣化器主要由豎直星形翅片管構成，目前最常見的是8 翅片結構的，當然也有12 翅片、6 翅片和4 翅片結構的。翅片管的材料主要是由鋁合金構成，且一般都是單程式翅片主要是為了增加空氣側的換熱面積。

研究方向：

1） 確定氣化器結構、環(huán)境參數(shù)。

2） 劃分空氣與LNG 的換熱過程換熱區(qū)間，并建立傳熱模型；根據LNG 流體的溫度變化，劃分換熱單元，對流型和狀態(tài)進行判斷。根據小單元的能量守衡，計算出單元出口的溫度等數(shù)據，將其數(shù)據作為下個單元入口的已知量，依次計算。

3） 分析對縱向翅片管傳熱性能的影響因素。為簡化計算，提高效率。本文作出以下假設：

1） 在整個計算過程中，霜層的物性參數(shù)沿厚度方向上是均勻的（密度除外）；

2） 只考慮霜層厚度方向上參數(shù)的變化，將霜層生長過程看做是一維的；

3） 霜層的生長過程是動態(tài)變化的，但是在某一極短的時間段內可以看作是穩(wěn)態(tài)的；

4） 空氣溫度恒定不變；

5） 管外空氣側換熱按大空間自然對流換熱處理；

6） 認為氣化器運行時壓力保持不變。

根據能量守恒和質量守恒建立了翅片管特性預測模型。換熱依次經過：環(huán)境空氣到霜層外側的自然對流換熱，霜層外側到翅片管外側的導熱，翅片管外側到翅片管內側的導熱，翅片管內側到流體的對流換熱，針對流體的能量變化方程。針對管內流體在不同流態(tài)下選擇不同的換熱經驗公式用來計算管內對流換熱系數(shù)。認為霜層是由冰晶和空氣構成的蓬松孔隙結構，針對管外霜層的增長一方面認為其增長了霜層厚度，一方面認為其增長了霜層密度。此外，在熱對流的基礎上，環(huán)境空氣和空溫式氣化器翅片管能量轉換之間還包括輻射換熱和其中水蒸氣的潛熱放熱。

通過FORTRAN 程序的編寫，給出物性參數(shù)，包括：結構參數(shù)、運行參數(shù)、環(huán)境參數(shù)的輸入，利用泡點、露點區(qū)分出單相液段、兩相段、單相氣段。將翅片管延管長分為若干個微元段，計算不同微元段的霜層厚度，換熱系數(shù)，有效熱阻等參數(shù)，依次迭代，即可以計算出求解參數(shù)延管長的分布。通過時間迭代，即可算出空溫式氣化器在運行達到穩(wěn)態(tài)的時間。得出整個空溫式氣化器翅片管在動態(tài)運行的過程中的換熱結霜規(guī)律。通過改變參數(shù)，則可以在允許范圍內有效的提高空溫式氣化器的氣化效率。

能量方程：通過霜層的能量=空氣側對流換熱+水蒸氣的凝華潛熱+霜層的輻射換熱

通過霜層的能量=通過翅片管管壁的導熱=LNG 的氣化吸熱

質量守恒方程：水蒸氣一部分用來增長霜層厚度，一部分用來增長霜層密度

計算流程：

1） 輸入氣化器的結構參數(shù)，環(huán)境空氣參數(shù)，運行參數(shù)。

2） 確定微元段數(shù)目，從而確定長度步長；確定時間步長。

3） 根據LNG 組分由方程確定其泡點和露點。

4） t 時刻，根據入口LNG 溫度，計算第一個微元段內的LNG 物性參數(shù)（LNG 溫度、LNG 導熱系數(shù)、黏度、定壓比熱容），由液化天然氣的物性參數(shù)求出管內液化天然氣的換熱系數(shù)，代入能量守恒方程求出霜層密度、霜層厚度、霜層導熱系數(shù)等參數(shù)，然后管內外耦合求出的上一微元段的出口溫度即為下一段的進口溫度。

5） 由時間迭代，計算在一定時間段內空溫式氣化器的整體換熱。

5 結語

在國家提倡發(fā)展新能源的今天，天然氣將為成為我國未來能源的主要支柱之一。在國家的大力發(fā)展液化天然氣的前提下，液化天然氣接收站技術與設備得到了大發(fā)展，空溫式氣化器由于其突出的顯著優(yōu)點，結構簡單，制作成本低廉，操作簡單，利用環(huán)境中的空氣為熱源氣化LNG，更貼合綠色，環(huán)保，新能源的當代主題。