開(kāi)架式氣化器換熱管預(yù)冷過(guò)程傳熱數(shù)值模擬

任金平 于春柳 陳 兵 張 琪 馬政足 鄢強(qiáng)強(qiáng)

(1 隴東學(xué)院化學(xué)化工學(xué)院 慶陽(yáng) 745000)

(2 寧夏天利豐能源利用有限公司 吳忠 751000)

(3 陜西梓存新能源科技有限公司 渭南 714000)

1 引 言

隨著全球清潔能源需求量的快速增長(zhǎng)和各國(guó)低碳化發(fā)展戰(zhàn)略的深入推進(jìn),天然氣作為一種優(yōu)質(zhì)、清潔、高效的化石能源,成為21 世紀(jì)能源結(jié)構(gòu)優(yōu)化的重要發(fā)展對(duì)象。在天然氣的使用過(guò)程中,液化天然氣(LNG)以其特有的運(yùn)輸、貯存、安全等優(yōu)勢(shì),近年來(lái)市場(chǎng)規(guī)模不斷擴(kuò)大,已成為推動(dòng)全球天然氣消費(fèi)量增長(zhǎng)的重要力量。開(kāi)架式氣化器作為L(zhǎng)NG 使用的配套設(shè)備,以海水為熱源,通過(guò)海水與換熱管之間的換熱,將LNG 氣化成具有一定溫度和壓力天然氣的裝置,目前得到廣泛關(guān)注。

Morimoto 等[1]對(duì)開(kāi)架式氣化器傳熱管結(jié)構(gòu)、工作原理和傳熱特性進(jìn)行了研究;王萌等[2]建立整體換熱過(guò)程傳熱計(jì)算模型,描述氣化段和加熱段傳熱過(guò)程,并進(jìn)行數(shù)值模擬,得到各個(gè)局部表面換熱系數(shù)和溫度分布曲線,并推導(dǎo)出傳熱管總換熱系數(shù)和熱流密度的分布曲線;Deng Z A 等[3]發(fā)現(xiàn)十字形擾流桿的應(yīng)用對(duì)換熱管換熱性能有影響,使其換熱效率提高;Negoescu C C 等[4]和成赫等[5-6]以液氮代替LNG,分別采用數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)研究的方法對(duì)豎直管內(nèi)超臨界氮換熱特性進(jìn)行分析,研究了氮入口壓力、水溫、水流量、不同管型、質(zhì)量流量、熱流密度等參數(shù)對(duì)換熱的影響;潘杰等[7]針對(duì)氣化傳熱過(guò)程建立基于能量平衡的分布參數(shù)模型,通過(guò)數(shù)值模擬獲得流體和管壁溫度以及對(duì)流傳熱系數(shù)分布特性,分析運(yùn)行參數(shù)和結(jié)構(gòu)對(duì)傳熱特性的影響;許燕等[8]應(yīng)用HYSYS 軟件研究LNG 流量、天然氣管網(wǎng)壓力、海水溫度等因素?cái)_動(dòng)變化時(shí),天然氣出口溫度、海水出口溫度、海水進(jìn)出口溫差、換熱量、換熱器平均溫差等主要操作參數(shù)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)趨勢(shì);呂國(guó)政[9]等對(duì)加熱段的復(fù)雜流道進(jìn)行數(shù)值模擬研究,得到插入不同參數(shù)擾流桿的換熱管各工況下表征對(duì)流換熱強(qiáng)度的努塞爾數(shù)和阻力特征的摩擦因子。

盡管上述各成果從不同方面對(duì)超級(jí)開(kāi)架式氣化器理論問(wèn)題進(jìn)行了研究,為實(shí)際工程應(yīng)用奠定了一定基礎(chǔ),但是對(duì)開(kāi)架式氣化器從剛開(kāi)始工作的預(yù)冷到隨后持續(xù)進(jìn)行的穩(wěn)定換熱過(guò)程中,換熱管內(nèi)流體傳熱過(guò)程未做詳細(xì)研究,且如何在熱量交換過(guò)程中得到較高的換熱效率,仍然是實(shí)現(xiàn)過(guò)程工業(yè)中節(jié)能降耗面臨的主要問(wèn)題。因此,本研究擬采用數(shù)值模擬的方法,對(duì)開(kāi)架式氣化器換熱管內(nèi)流體的換熱過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬,并對(duì)反映氣化器性能的結(jié)果進(jìn)行分析和討論,以期為開(kāi)架式氣化器縮短預(yù)冷時(shí)間,提高預(yù)冷效率,減小海水用量,降低運(yùn)行成本提供參考,促進(jìn)LNG 產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展。

2 換熱管結(jié)構(gòu)及工作過(guò)程

本研究用換熱管結(jié)構(gòu)如圖1 所示。為了強(qiáng)化換熱,換熱管內(nèi)外壁面設(shè)置了翅片,換熱管內(nèi)壁面設(shè)置有8 個(gè)圍繞管體向中心以輻射狀均布的內(nèi)翅片;換熱管外壁面前后設(shè)置互相對(duì)稱的5 個(gè)外翅片,中間外翅片的翅根和翅尖高,兩端外翅片翅根和翅尖低,且兩邊外翅片的翅根和翅尖關(guān)于中間外翅片對(duì)稱。開(kāi)架式氣化器由若干換熱管束板組成,而管板束由多根相同的換熱管之間焊接,且兩端分別與集液管和集氣管焊接構(gòu)成,可見(jiàn)換熱管是開(kāi)架式氣化器的基本換熱單元,為了省略換熱管與換熱管之間的焊接環(huán)節(jié),換熱管外壁面左右設(shè)置有肋,左肋帶有矩形槽,槽寬略大于右肋厚度,安裝時(shí)一根換熱管的右肋裝配到另一根換熱管左肋的矩形槽內(nèi),便于安裝定位。

圖1 換熱管結(jié)構(gòu)圖1.左肋;2.外翅片;3.內(nèi)翅片;4.右肋。Fig.1 Diagram of heat transfer tube structure

實(shí)際工作時(shí)LNG 走換熱管內(nèi),從集液管中逐一流進(jìn)每根換熱管內(nèi),在管內(nèi)自下向上流動(dòng),被分為加熱段、氣化段和過(guò)熱段3 個(gè)階段;海水走換熱管外,通過(guò)海水分布器,以水膜的形式緊貼換熱管外壁面,依靠重力的作用,自上而下沿著換熱管外壁流動(dòng)。通過(guò)換熱管的換熱作用,海水將熱量傳遞給管內(nèi)LNG,LNG 經(jīng)過(guò)氣化后達(dá)到出口設(shè)計(jì)溫度的天然氣,流入頂部集氣管,然后進(jìn)入輸送管網(wǎng)。

3 物理模型和邊界條件

開(kāi)架式氣化器換熱管加熱段與外部環(huán)境溫差最大,預(yù)冷過(guò)程中存在著復(fù)雜的兩相流及傳熱過(guò)程,流體流態(tài)也會(huì)發(fā)生劇烈變化;大量研究表明加熱段換熱管換熱性能高低對(duì)開(kāi)架式氣化器整體換熱性能起著決定性的作用,壁面結(jié)冰現(xiàn)象首先也從該段開(kāi)始,最大結(jié)冰高度可達(dá)到454 mm;開(kāi)架式氣化器所有換熱管結(jié)構(gòu)相同,可取一根進(jìn)行研究?；谏鲜隹紤],本研究用Proe5.0 軟件建立從LNG 入口端面開(kāi)始,長(zhǎng)度為1 000 mm 的單根換熱管加熱段三維物理模型,海水膜厚度分別取2 mm、4 mm、6 mm 和8 mm。

采用 ANSYS Workbench 軟件自帶的 ANSYS ICEM-CFD 對(duì)建立的換熱管三維模型進(jìn)行計(jì)算網(wǎng)格劃分,為了確保計(jì)算速度和收斂精度,采用四面體非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分方式,對(duì)流體與固體接觸面網(wǎng)格進(jìn)行適當(dāng)加密,用軟件自帶的流體分析(FLUENT)模塊對(duì)劃分好的網(wǎng)格模型進(jìn)行有限元分析,數(shù)值模擬開(kāi)架式氣化器換熱管預(yù)冷過(guò)程。由于換熱過(guò)程復(fù)雜,為了計(jì)算的方便,對(duì)邊界條件和初始計(jì)算條件作適當(dāng)假設(shè)及簡(jiǎn)化處理:(1)海水膜與換熱管外壁之間接觸緊密,無(wú)接觸熱阻;(2)LNG 看作液態(tài)甲烷,選用液態(tài)甲烷物性參數(shù);(3)假定LNG 為不可壓縮流體,天然氣作Boussinesq 假設(shè)處理;(4)海水膜厚度統(tǒng)一,內(nèi)部均勻一致,與外界環(huán)境無(wú)質(zhì)量和熱量的交換;(5)換熱管材料選擇鋁合金SB221-6063,忽略溫度對(duì)鋁合金導(dǎo)熱率等物性參數(shù)的影響。LNG、海水、6063 鋁合金物性參數(shù)見(jiàn)表1,LNG 從底端進(jìn)入換熱管內(nèi)部,自下向上流動(dòng),沿管程不斷加熱,氣化后的天然氣由頂端輸出,海水從頂端開(kāi)始,沿?fù)Q熱管外壁從上向下流動(dòng),開(kāi)架式氣化器工藝操作參數(shù)見(jiàn)表2,海水膜與換熱管邊界、LNG 和天然氣與換熱管邊界均設(shè)置為耦合邊界。

表1 LNG、海水、6063 鋁合金物性參數(shù)Table 1 Physical property parameter of LNG,seawater and 6063 aluminum alloy

表2 開(kāi)架式氣化器工藝操作參數(shù)Table 2 Operation parameters of superORV process

4 模擬結(jié)果及分析

4.1 溫度場(chǎng)隨時(shí)間變化過(guò)程

圖2 為換熱管內(nèi)流體溫度場(chǎng)分布云圖,其中圖2a、圖2b、圖2c、圖2 d 分別為1 s、2 s、3 s 和5 s 時(shí)換熱管內(nèi)流體溫度場(chǎng)分布云圖,圖中從上到下每行換熱管外海水膜厚度分為2 mm、4 mm、6 mm 和8 mm,從左到右每列分別為距離 LNG 入口端200 mm、400 mm、600 mm、800 mm 和1 000 mm 處換熱管內(nèi)流體截面溫度場(chǎng)分布云圖。從圖中可以看出,所有換熱管內(nèi)流體截面溫度場(chǎng)分布上下對(duì)稱,左右不對(duì)稱,這是因?yàn)閾Q熱管上有左右肋,右肋設(shè)置有槽道,使換熱管左右結(jié)構(gòu)不稱,影響換熱管內(nèi)流體截面溫度場(chǎng)分布。從1 s 到5 s,換熱管內(nèi)流體溫度場(chǎng)分布逐漸趨于穩(wěn)定,1 s、2 s 和3 s 的流體溫度場(chǎng)分布云圖有差異,3 s和5 s 的流體溫度場(chǎng)分布云圖一樣,這是因?yàn)閾Q熱管開(kāi)始工作時(shí)存在預(yù)冷過(guò)程所致,說(shuō)明1 s 到2 s 為換熱管的預(yù)冷過(guò)程,將該過(guò)程換熱稱為非穩(wěn)定換熱,3 s時(shí)換熱管內(nèi)流體與換熱管之間的換熱已穩(wěn)定,將3 s以后的換熱管換熱稱為穩(wěn)定換熱,當(dāng)海水膜流速為1 m/s,LNG 流速為0.6 m/s 時(shí),換熱管預(yù)冷時(shí)間為2 s。距離LNG 進(jìn)口端越近,換熱管內(nèi)流體截面溫差越大,中心處溫度最低,沿徑向逐漸升高,靠近翅片處流體溫度最高,同樣距離LNG 進(jìn)口端越近,溫度分層現(xiàn)象越明顯,距離LNG 進(jìn)口端越遠(yuǎn),換熱管內(nèi)流體溫度逐漸趨于統(tǒng)一。在非穩(wěn)定換熱階段,對(duì)比相同海水膜厚度不同截面處流體溫度場(chǎng)分布云圖可以看出,無(wú)論海水膜取多厚,距離LNG 進(jìn)口端400 mm 處流體最低溫度均已大于127.9 K,說(shuō)明此處LNG 已經(jīng)全部氣化;對(duì)比同一截面不同海水膜厚度流體溫度場(chǎng)分布云圖可以看出,海水膜厚度越厚,流體平均溫度越高,距離LNG 進(jìn)口端1 000 mm 處,隨著海水膜厚度的增加,接近海水膜入口溫度的流體量越多。在穩(wěn)定換熱階段,不同海水膜厚度對(duì)應(yīng)流體溫度場(chǎng)分布云圖幾乎一樣,說(shuō)明穩(wěn)定換熱階段海水膜厚度對(duì)換熱管內(nèi)流體溫度場(chǎng)分布無(wú)影響,即對(duì)換熱管內(nèi)流體傳熱特性無(wú)影響。由此可見(jiàn),開(kāi)架式氣化器在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中,開(kāi)始時(shí)可以采用增大海水膜厚度和流速的措施縮短預(yù)冷時(shí)間,提高預(yù)冷效率,預(yù)冷結(jié)束進(jìn)入穩(wěn)定換熱后可以減小海水膜厚度和流速,降低運(yùn)行成本。

4.2 速度場(chǎng)隨時(shí)間變化過(guò)程

圖3 為換熱管內(nèi)流體速度場(chǎng)分布云圖,圖的布置形式和圖2 一樣圖。從圖中可以看出,截面速度場(chǎng)分布上下對(duì)稱,左右不對(duì)稱,這是因?yàn)閾Q熱管左右結(jié)構(gòu)不對(duì)稱所致,可見(jiàn)左右肋及右肋槽道同樣對(duì)流體截面速度場(chǎng)分布有影響;1 s、2 s 和3 s 換熱管內(nèi)同一截面處流體速度場(chǎng)分布云圖有差異,3 s 和5 s 云圖差別不大,說(shuō)明從1 s 到2 s 換熱管內(nèi)流體速度變化逐漸趨于穩(wěn)定,3 s 后流體速度已達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài),這是因?yàn)殚_(kāi)始工作時(shí)存在換熱管預(yù)冷過(guò)程,預(yù)冷結(jié)束,流體與換熱管之間的換熱達(dá)到穩(wěn)定;換熱管內(nèi)流體截面速度場(chǎng)分布不均勻,存在最大和最小速度及明顯的速度梯度,非穩(wěn)定換熱階段管內(nèi)流體最大速度出現(xiàn)在靠近右肋側(cè),穩(wěn)定換熱階段最大速度出現(xiàn)在中心處,且均沿徑向逐漸減小;同一海水膜厚度,非穩(wěn)定換熱階段比穩(wěn)定換熱階段平均速度小,非穩(wěn)定換熱階段速度梯度沒(méi)有穩(wěn)定換熱階段明顯。圖3a 可以看出,非穩(wěn)定換熱階段,距離LNG 進(jìn)口端200 mm 處,海水膜厚度對(duì)換熱管內(nèi)流體速度場(chǎng)分布影響不大,距離LNG 進(jìn)口端200—1 000 mm,隨著海水膜厚度的增大,換熱管內(nèi)高速流體增多,流體平均速度增大。從圖3b、圖3c和圖3 d 可以看出,穩(wěn)定換熱階段,隨著換熱管外海水膜厚度的增大,換熱管內(nèi)流體速度場(chǎng)分布幾乎無(wú)差異,說(shuō)明該階段海水膜厚度對(duì)換熱管內(nèi)流體速度場(chǎng)分布影響不大。

圖3 換熱管內(nèi)流體速度場(chǎng)分布云圖Fig.3 velocity field of fluid in heat transfer tube

5 結(jié) 論

換熱管作為開(kāi)架式氣化器的基本換熱單元,其性能決定著氣化器的換熱效率,開(kāi)始工作時(shí)存在換熱管從環(huán)境溫度降至低溫的預(yù)冷過(guò)程,縮短預(yù)冷時(shí)間,提高預(yù)冷效率,減小海水用量,降低運(yùn)行成本對(duì)換熱器具有意義。本研究采用ANSYS Workbench 軟件對(duì)開(kāi)架式氣化器換熱管預(yù)冷過(guò)程進(jìn)行了數(shù)值模擬,得到換熱管內(nèi)流體溫度場(chǎng)和速度場(chǎng)分布云圖,分析得到如下結(jié)論:預(yù)冷過(guò)程中,海水膜厚度越厚,換熱管內(nèi)流體平均溫度和平均速度越大,進(jìn)入穩(wěn)定換熱后,海水膜厚度不再影響換熱管內(nèi)流體溫度場(chǎng)和速度場(chǎng)的分布。因此,在實(shí)際的換熱管預(yù)冷操作中,可以采用增大海水膜厚度的措施縮短預(yù)冷時(shí)間,提高預(yù)冷效率,進(jìn)入穩(wěn)定換熱后可以適當(dāng)減小海水膜厚度,降低運(yùn)行成本。