兩相流傳熱模型在LNG 加熱氣化裝置中的研究

楊帆，李康

（201620 上海市 上海工程技術(shù)大學(xué)）

0 引言

近年來,環(huán)境與能源的問題已經(jīng)成為人們關(guān)注的重點(diǎn)，作為清潔能源的天然氣也逐漸應(yīng)用于各方面工作生活中，低溫液化后的天然氣LNG（Liquefied Natural Gas，簡稱LNG）也成為國際天然氣貿(mào)易的首選，相應(yīng)的LNG 加熱氣化裝置的研究也成為熱點(diǎn)[1]。相關(guān)研究中，劉珊珊[2]系統(tǒng)闡述了LNG 氣化器的傳熱機(jī)理，利用了極值焓差法為氣化器的運(yùn)行調(diào)節(jié)提供了指導(dǎo)性依據(jù)；嚴(yán)銘卿[3]針對LPG 混合物，論證了氣化裝置傳熱溫度、運(yùn)行壓力參數(shù)等的問題；李慧君[4]等對含濕煙氣的換熱特性進(jìn)行了系統(tǒng)性的闡述，并驗(yàn)證了相變換熱可以大幅度提高換熱系數(shù)。上述研究均推動了LNG 氣化裝置的設(shè)計(jì)和傳熱方向的發(fā)展，但LNG 氣化裝置在使用過程中，仍然存在著氣化速率低、氣化能力不足、傳熱效果差的問題，所以對LNG 氣化裝置的深入研究仍然是熱點(diǎn)話題。

1 LNG 加熱氣化裝置設(shè)計(jì)

1.1 LNG 加熱氣化裝置設(shè)計(jì)的基本要求

設(shè)計(jì)新型LNG 加熱氣化裝置需要重點(diǎn)考慮以下3 點(diǎn)：

（1）保證裝置在運(yùn)行期間的安全性能；

（2）換熱效率高，實(shí)現(xiàn)熱能的回收再利用，排放煙氣達(dá)到節(jié)能環(huán)保的標(biāo)準(zhǔn)；

（3）適用于負(fù)荷變化范圍大，可滿足調(diào)峰狀態(tài)或迅速供氣的情況。

1.2 煙氣沖擊旋水子型氣化裝置的設(shè)計(jì)

根據(jù)LNG 加熱氣化裝置設(shè)計(jì)的基本要求，研究新型煙氣沖擊旋水子型LNG 加熱氣化裝置的設(shè)計(jì)思路為：利用燃燒器產(chǎn)生的高溫?zé)煔庵苯記_擊半浸沒在池水中的旋水子，煙氣沿著旋水子的導(dǎo)向曲面切向沖擊水面，在與水面換熱的同時，與濺起的水滴、水霧形成含濕煙氣。在風(fēng)機(jī)的作用下，含濕煙氣向上流動，與上部盤管區(qū)域進(jìn)行相變換熱。

利用含濕煙氣作為中間介質(zhì)，一方面利用相變換熱釋放潛熱，增強(qiáng)換熱效率；另一方面蒸汽冷凝破壞管壁凝結(jié)液邊界層，減小熱阻[5]。煙氣循環(huán)參與氣化活動，在降低燃燒室新產(chǎn)生的煙氣溫度的同時，也加大了對水面的沖擊量，使得更多的熱量可以傳遞到水中，為實(shí)現(xiàn)裝置的經(jīng)濟(jì)、安全、高效運(yùn)行[6]。

1.3 煙氣沖擊旋水子型氣化裝置的技術(shù)參數(shù)

新型煙氣沖擊旋水子型LNG 加熱氣化裝置設(shè)計(jì)的主要技術(shù)參數(shù)：（1）裝置質(zhì)量為1 255 kg；（2）裝置負(fù)荷為550 Nm3/h；（3）LNG 加熱氣化后供氣溫度為25 ℃；（4）LNG 加熱氣化后供氣壓力為0.5 MPa；（5）LNG 加熱氣化裝置最高工作壓力為0.8 MPa。

2 煙氣沖擊旋水子型兩相流傳熱模型數(shù)值模擬

2.1 煙氣沖擊旋水子型兩相流傳熱模型

2.1.1 煙氣沖擊旋水子型的結(jié)構(gòu)模型

為了便于對該區(qū)域的流動和傳熱進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，LNG 氣化裝置經(jīng)結(jié)構(gòu)精簡后整體上呈現(xiàn)對稱的筒狀結(jié)構(gòu)，因此，將模型簡化為二維軸模型，簡化后的結(jié)構(gòu)模型如圖1 所示。

圖1 旋水子結(jié)構(gòu)模型Fig.1 Substructure model of flue gas impingement cyclone

2.1.2 煙氣沖擊旋水子型網(wǎng)格的劃分

本文采用Creo 軟件根據(jù)上述結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行幾何建模，在Meshing 中利用Proximity and Curvature 進(jìn)行網(wǎng)格劃分，得到了61 306 個網(wǎng)格數(shù)目和62 121 個節(jié)點(diǎn)。

2.1.3 煙氣沖擊旋水子型的計(jì)算模型

本文采用壓力基求解器，瞬態(tài)計(jì)算，采用VOF 兩相流動模型，將主相定義為煙氣、次相定義為水的，湍流模型選用標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型，壓力—速度耦合算法采用SIMPLE 算法，控制方程的離散格式采用Second Order Upwind 格式，壓力差分格式采用PRESTO 差分格式[7-8]。

2.1.4 模擬仿真參數(shù)及條件設(shè)置

Fluent 軟件提供了標(biāo)準(zhǔn)的材料庫，但是煙氣相關(guān)數(shù)據(jù)需要選擇【User-Defined Database】手動輸入，密度、比熱和熱傳導(dǎo)、粘度等信息，如表1 所示。

表1 介質(zhì)數(shù)據(jù)參數(shù)Tab.1 Media data parameters

本次數(shù)值模擬采用velocity-inlet，將inlet 定義為錐形噴嘴處，入口速度為30.3 m/s，溫度為897 K。采用pressure-outlet，將outlet 定義LNG氣化裝置的外壁與燃燒室外筒之間的環(huán)形區(qū)域，回流溫度為300 K，回流方向定義為垂直于邊界。壁面函數(shù)選擇固定壁面和無滑移的選項(xiàng)，由于本裝置在外殼處設(shè)置了保溫絕熱材料，因此理想化處理設(shè)定壁面的熱通量為0，恒定溫度300 K[9-10]。

2.2 氣液兩相流傳熱數(shù)值模擬及分析

2.2.1 煙氣沖擊旋水子型兩相流溫度場分布

在工作條件和其他結(jié)構(gòu)參數(shù)不變的前提下，將錐形噴嘴與旋水子工作面距離為200 mm，液面高度60 mm 作為典型參數(shù)，通過Fluent 軟件進(jìn)行數(shù)值模擬仿真獲取煙氣沖擊氣流旋水子時水相的體積分布和溫度分布狀況。

（1）煙氣沖擊旋水子水相的體積分布

為了更好地說明煙氣沖擊旋水子時水的擴(kuò)散過程，對煙氣沖擊水面時，水相的體積分布隨時間的變化進(jìn)行了數(shù)值模擬如圖2 所示。

圖2 水相的體積分布時歷圖Fig.2 Time history of volume distribution of water phase

從圖2 中可以看出：0.2 s 時，當(dāng)高速煙氣剛開始沖擊旋水子時，噴嘴中心下方的水面出現(xiàn)了凹陷；0.6 s 時，煙氣在轉(zhuǎn)變流動方向的過程中開始脫離水面并出現(xiàn)向上擴(kuò)散的趨勢；從1.0 s 起，水面被高速煙氣連續(xù)沖擊，濺起水滴、水霧并與煙氣發(fā)生碰撞，水面開始翻滾，水滴被煙氣流夾帶上升；1.8 s 后，水滴、水霧和水蒸氣跟隨著煙氣彌漫在整個空間中，很好地實(shí)現(xiàn)了煙氣與水相的混合。

（2）煙氣沖擊旋水子氣液兩相傳熱溫度的分布

在工作條件和其他結(jié)構(gòu)參數(shù)不變的前提下，模擬分析煙氣沖擊旋水子上池水時，溫度分布隨時間的變化如圖3 所示。

圖3 溫度分布時歷圖Fig.3 Time history of temperature distribution

從圖3 中可以看出，0.2 s 時，高速煙氣已經(jīng)開始切向沖擊到水面了，煙氣的熱量向四周和水池傳遞，溫度也隨之降低；0.6 s 時，煙氣繼續(xù)沖擊旋水子水面，水面在煙氣的高速沖擊形成了一個“坑”，溫度繼續(xù)降低并向上傳遞，此時出口處平均煙溫達(dá)到464 K；從1.0 s 起，水面在不斷沖擊下開始劇烈運(yùn)動，水滴、水霧逐漸被濺起并跟著煙氣不斷上升，煙氣也在上升的過程中溫度開始下降，出口處煙氣的平均溫度也隨著下降；在1.8 s 以后,裝置的傳熱達(dá)到穩(wěn)態(tài)，此時煙氣出口處平均溫度基本穩(wěn)定。

2.2.2 旋水子液面高度對兩相流的影響

新型LNG加熱氣化裝置之所以采用旋水子，是為了讓煙氣沿旋水子曲面改變流動方向，從垂直沖擊水面變成切向沖擊水面，從而能夠卷起水滴，形成氣液兩相流動。在氣化裝置其它結(jié)構(gòu)參數(shù)一定的前提下，要達(dá)到好的混合效果，液面高度和噴嘴高度是影響氣化效果的關(guān)鍵參數(shù)。因此，在氣化裝置的其他結(jié)構(gòu)參數(shù)不變的情況下，結(jié)合工程實(shí)踐，分別選取20，40，60，80，100 mm幾種高度參數(shù)來分析比較水相高度變化對煙氣沖擊旋水子的兩相流傳熱效果和水相流動的影響。

（1）液面高度為20 mm

當(dāng)液面高度為20 mm，即液面剛好浸沒旋水子翻邊的上邊緣，煙氣沖擊旋水子水面時，水的體積分布如圖4 所示。

圖4 液面高度20 mm 時水的體積分布時歷圖Fig.4 Time history diagram of water volume distribution at 20 mm liquid level

液面高度為20 mm 時，煙氣沖擊旋水子水面的氣液兩相傳熱溫度分布狀況如圖5 所示。

圖5 液面高度20 mm 時溫度分布時歷圖Fig.5 Time history of temperature distribution at 20 mm liquid level

用同樣的方法分別做出40，60，80，100 mm 煙氣沖擊旋水子時,水的體積分布和溫度分布的時歷圖，并作分析如表2 所示。

表2 不同液面高度時旋水子流動傳熱情況Tab.2 Flow and heat transfer of hydrocyclones at different liquid level

由表2 可知，當(dāng)液面高度為20，40 mm 時，由于旋水子上水量過少，出現(xiàn)水全被吹干、旋水子裸露在空氣中的現(xiàn)象；但當(dāng)液面高度為80，100 mm 時，由于液面過高，高速煙氣沖擊旋水子時無法按照旋水子導(dǎo)向曲面流動，導(dǎo)致對水相產(chǎn)生的影響不大，無法保證煙氣中含濕量；當(dāng)液面高度為60 mm 時，煙氣沖擊水面0.8 s，水滴開始生成，此時煙氣出口平均溫度達(dá)到最高。在煙氣不斷沖擊水面的情況下，大量的水滴、水霧和蒸汽不斷產(chǎn)生，保證了煙氣的含濕量；同時，煙氣出口平均溫度均高于其他計(jì)算工況下的出口溫度，實(shí)現(xiàn)了煙氣沖擊旋水子時既能在旋水子曲面的引導(dǎo)下卷吸水滴加濕煙氣，又能降低煙氣溫度的目的。因此，比較上述計(jì)算結(jié)果可知，60 mm的液面高度是達(dá)到最優(yōu)傳熱效果的最適高度。

3 煙氣沖擊旋水子型LNG 加熱氣化裝置的可行性驗(yàn)證

煙氣沖擊旋水子型LNG 加熱氣化裝置的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)主要由氣化裝置、燃?xì)夤┙o、煙氣排放、煙氣循環(huán)和測試信號采集與處理系統(tǒng)等組成。在LNG 加熱氣化實(shí)驗(yàn)裝置的實(shí)驗(yàn)研究中，在工作條件和其他結(jié)構(gòu)參數(shù)不變的前提下，旋水子工作面上水相的高度是影響換熱的主要因素之一。在對裝置進(jìn)行數(shù)值模擬仿真后，得到液面高度為60 mm 時傳熱效果最佳，并獲取該條件下出口處的平均溫度。為驗(yàn)證裝置雙相流傳熱數(shù)值模擬的正確性，通過實(shí)驗(yàn)法在相同參數(shù)下對裝置進(jìn)行開機(jī)實(shí)驗(yàn)，觀察裝置內(nèi)部的水相流動。圖6 為裝置內(nèi)部水相流動圖，并通過溫度傳感器記錄出口處的溫度；圖7 是溫度模擬值和實(shí)驗(yàn)值的比較。

圖6 水滴的流動狀態(tài)圖Fig.6 Flow state diagram of water droplets

圖7 溫度模擬值和實(shí)驗(yàn)值的比較Fig.7 Comparison of simulated and experimental temperature values

由圖6 水滴的流動狀態(tài)圖可以發(fā)現(xiàn)，在液面高度為60 mm 時，旋水子只露出尖頂和部分曲面，旋水子底邊被水覆蓋并不斷翻滾，裝置內(nèi)水滴飛濺，且呈細(xì)小而均勻分布，卷吸效果較好。在1.8 s 以后裝置的傳熱達(dá)到穩(wěn)態(tài)，此時兩者之間的差值在3.23%，誤差在允許范圍之內(nèi)。數(shù)值模擬與實(shí)驗(yàn)得到的結(jié)果基本吻合，說明了基于氣液兩相流動傳熱模型在煙氣沖擊旋水子型LNG 加熱氣化裝置中的數(shù)值模擬是合理可行的。

4 結(jié)語

本文對兩相流傳熱模型進(jìn)行了研究，通過數(shù)值模擬計(jì)算得到了兩相流的溫度分布和液相的體積分布；通過對旋水子上不同水相的高度對兩相流傳熱的影響，得到了最適高度60 mm 的參數(shù)；通過設(shè)計(jì)煙氣沖擊旋水子型LNG 加熱氣化裝置實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，驗(yàn)證了數(shù)值模擬的正確性和加熱氣化裝置設(shè)計(jì)的可行性，為后續(xù)LNG 加熱氣化裝置的研究提供了理論依據(jù)和工程參考。