LNG空溫氣化器的傳熱分析及設(shè)計(jì)優(yōu)化

史建濤 楊學(xué)鋒 宋亞強(qiáng)

（江蘇省特種設(shè)備安全監(jiān)督檢驗(yàn)研究院蘇州分院 蘇州 215031）

液化天然氣（簡(jiǎn)稱(chēng)LNG）的主要成分是甲烷,另外還可能含有乙烷、丙烷、正丁烷、異丁烷等烴類(lèi)物質(zhì)。LNG液體的溫度極低,1單位體積的LNG液體可以轉(zhuǎn)變?yōu)榧s600單位體積的氣體[1],且燃燒后主要產(chǎn)物為二氧化碳和水,是極其重要的清潔能源之一?？諟厥綒饣魇菍⒁簯B(tài)天然氣轉(zhuǎn)換為氣態(tài)天然氣的關(guān)鍵設(shè)備之一,由于其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊,安裝快捷,維護(hù)方便,因此被越來(lái)越多的LNG接收站和終端客戶(hù)所使用,故針對(duì)空溫式氣化器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和傳熱分析成為研究的熱點(diǎn)問(wèn)題。盡管如此,空溫式氣化器的換熱效率由于受環(huán)境溫度影響較大,而且還受到介質(zhì)熱流密度、干度、流量、入口壓力、管徑、管長(zhǎng)以及壁面粗糙度等諸多因素的影響[2],因此為了提高單位時(shí)間內(nèi)的氣化量,深入挖掘設(shè)備潛能,針對(duì)空溫式氣化器的深入研究就顯得極為關(guān)鍵。

1 空溫式氣化器的結(jié)構(gòu)

如圖1所示,典型的空溫式氣化器結(jié)構(gòu)由進(jìn)出口接管、匯集管、星型換熱管以及支撐框架組成,其設(shè)計(jì)參數(shù)為：設(shè)計(jì)壓力為1.6 MPa,設(shè)計(jì)溫度為-196 ℃,進(jìn)口介質(zhì)為L(zhǎng)NG,進(jìn)口處工作介質(zhì)溫度為-162 ℃,出口介質(zhì)為NG,出口處介質(zhì)溫度一般不低于環(huán)境溫度10 ℃。星型換熱管為關(guān)鍵的換熱部件,由內(nèi)管和翅片組成。熱交換的主要機(jī)理有：LNG介質(zhì)與內(nèi)管進(jìn)行對(duì)流換熱,沿管壁厚度方向的傳導(dǎo)換熱,鋁制翅片伸展方向由溫差引起的傳導(dǎo)換熱,以及鋁制星型管外表面與環(huán)境中的空氣之間的對(duì)流換熱。在深入分析星型換熱管（如圖2所示）的傳熱情況時(shí),有如下假設(shè)條件：1）鋁制翅片在伸展方向和長(zhǎng)度方向性能均一；2）星型管外表面及翅片表面與環(huán)境不發(fā)生熱輻射；3）翅片伸展方向端部溫度與環(huán)境溫度完全一致；4）在星型管某一截面進(jìn)行換熱分析時(shí),流過(guò)該截面的介質(zhì)為單一流體；5）汽化過(guò)程壓力不降低,星型管外壁無(wú)結(jié)霜；6）假設(shè)鋁制金屬與介質(zhì)的表面熱交換系數(shù)在工況范圍內(nèi)保持恒定。

圖1 氣化器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

圖2 星型管截面圖

2 影響換熱效率的因素分析

根據(jù)對(duì)流傳熱的基本計(jì)算式牛頓冷卻公式,流體被加熱時(shí)[3],熱流密度計(jì)算滿足式（1）：

式中：

tw——鋁管壁面溫度；

tf——流體介質(zhì)溫度；

q——熱流密度（即單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)單位面積的熱流量）,W/m2；

h——表面?zhèn)鳠嵯禂?shù),W/(m2.K)。

由于假設(shè)鋁制星型管外壁面溫度以及天然氣介質(zhì)流體溫度在特定截面處數(shù)值已知, 故可認(rèn)為邊界溫度恒定,采用極坐標(biāo)系,以星型管圓心為極點(diǎn),管壁厚度方向?yàn)闃O軸,對(duì)邊界處溫度為常數(shù)的表達(dá)式連續(xù)兩次求導(dǎo),得到導(dǎo)熱微分方程與相應(yīng)的邊界條件,見(jiàn)式（2）：

式中：

t——溫度；

r——極軸長(zhǎng)度,即星型管壁厚方向長(zhǎng)度。

代入邊界條件r=ro,t=to；r=rI,t=tI,得出通解,見(jiàn)式（3）～式（5）：

式中：

c1,c2——常數(shù)。

最終的溫度分布見(jiàn)式（6）：

代入傅里葉定律,見(jiàn)式（7）：

式中：

λ——導(dǎo)熱系數(shù),W/(m.K)；

tI,to——星型管內(nèi)、外壁溫；

rI,ro——星型管內(nèi)、外壁處半徑。

由此可知,在星型管截面不同半徑處的熱流密度與半徑成反比,但是通過(guò)整個(gè)截面的熱流量φ,見(jiàn)式（8）：

式中：

l——星型管長(zhǎng)度。

半徑r處的熱流量與星型管長(zhǎng)度及壁厚都相關(guān)。因此要增加傳熱量,可通過(guò)增加介質(zhì)與環(huán)境溫差、增加金屬導(dǎo)熱體表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)、增加換熱面積3種方法來(lái)實(shí)現(xiàn)。

2.1 星型管翅片數(shù)量

增加換熱面積最常用的方法即增加星型管上翅片數(shù)量。針對(duì)鋁制星型管,材質(zhì)為6063,圓管尺寸為32 mm×3 mm,環(huán)境溫度為22 ℃,入口處LNG工作溫度為-162 ℃,并且依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)GB/T 38530—2020《城鎮(zhèn)液化天然氣（LNG）氣化供氣裝置》中A.3.4.1中的規(guī)定出口處工作溫度不得低于12 ℃[4],采用WORKBENCH有限元軟件模擬分析不同數(shù)量翅片時(shí),由于表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)數(shù)值上等于單位溫差下的傳熱通量,而且影響傳熱系數(shù)的因素眾多,包括換熱器的類(lèi)型、流體的種類(lèi)和性質(zhì),以及操作條件等,因此工程上通常采用試驗(yàn)法或者經(jīng)驗(yàn)公式估算表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)。針對(duì)空溫式氣化器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和介質(zhì)情況,結(jié)合使用環(huán)境溫度情況,參考?xì)怏w介質(zhì)表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)值17～280 W/(mm2.℃)[5],并且根據(jù)軟件內(nèi)置材料特性數(shù)據(jù)[6],設(shè)置鋁制材料熱交換系數(shù)為12.5 W/(mm2.℃),網(wǎng)格劃分在翅片根部自動(dòng)加密,單元類(lèi)型選擇六面體主體,并且將介質(zhì)溫度和環(huán)境溫度值作為邊界條件賦值,最終熱流密度分布情況見(jiàn)圖3～圖8。

圖3 四翅片星型管入口處熱流密度分布圖

圖4 四翅片星型管出口處熱流密度分布圖

圖5 八翅片星型管入口處熱流密度分布圖

圖6 八翅片星型管出口處熱流密度分布圖

圖7 十二翅片星型管入口處熱流密度分布圖

圖8 十二翅片星型管出口處熱流密度分布圖

由圖3～圖8中模擬分析結(jié)果可知,在星型管入口處,當(dāng)翅片數(shù)量從四片增加至八片時(shí),熱流密度最大值從4.3915 W/mm2增加至17.546 W/mm2,但是當(dāng)翅片數(shù)量進(jìn)一步增加至十二片時(shí),熱流密度最大值增加至18.641 W/mm2,數(shù)值增量不明顯。但是熱流密度最小值則呈現(xiàn)完全不同的趨勢(shì),即從四翅片時(shí)2.667 2e-8W/mm2降低至八翅片時(shí)5.557 2e-9W/mm2,并且十二翅片時(shí)進(jìn)一步降低至4.112 6e-9W/mm2。由此可知,翅片數(shù)量增加可以顯著增大介質(zhì)與星型翅片管以及外部環(huán)境的單位面積換熱量,但是當(dāng)翅片數(shù)量進(jìn)一步增加時(shí),熱流密度最大值變化不明顯,從節(jié)省材料成本的角度,八翅片星型管是較為經(jīng)濟(jì)合理的選擇。并且從熱流密度分布圖可知,熱交換發(fā)生的部位集中在星型管外壁及翅片翅根部位,盡管隨著翅片數(shù)量的增加,熱流密度最小值逐漸降低,意味著換熱更充分,但是翅片延伸段對(duì)于穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo)的貢獻(xiàn)并不明顯。不僅如此,在星型管出口處也有幾乎相同的規(guī)律。

2.2 星型管壁厚

由式（2）～式（8）可知,當(dāng)星型管壁厚變化時(shí),即外徑與內(nèi)徑的比值將極大影響星型管截面熱流量,故針對(duì)八翅片星型管,選擇內(nèi)徑為26 mm,入口LNG工作溫度為-162 ℃時(shí),當(dāng)外徑分別為30 mm、32 mm、34 mm以及36 mm時(shí),模擬分析結(jié)果顯示熱流密度最大值見(jiàn)表1。

表1 不同壁厚時(shí)星型管截面熱流密度最大值

由表1中內(nèi)容可知,隨著星型管壁厚的增加,盡管換熱面積有所增大,但是通過(guò)其截面的熱流密度最大值是逐漸減小的。由于星型管需要承受LNG介質(zhì)的壓力,因此在保證強(qiáng)度以及加工工藝要求的前提下,較薄的壁厚利于傳熱,并可以進(jìn)一步增加單位時(shí)間內(nèi)的氣化量。

2.3 環(huán)境溫度

由于LNG介質(zhì)工作溫度相對(duì)固定,因此環(huán)境溫度的數(shù)值將極大影響星型管截面的熱流量。結(jié)合實(shí)際使用場(chǎng)地的地理環(huán)境,針對(duì)八翅片,星型管壁厚為2 mm時(shí),當(dāng)環(huán)境溫度為50 ℃時(shí),星型管截面溫度分布情況見(jiàn)圖9、圖10。

圖9 八翅片星型管入口處溫度分布圖

圖10 八翅片星型管出口處溫度分布圖

由圖9和圖10可知,無(wú)論是星型管入口處還是出口處,溫度梯度的分布情況都類(lèi)似,溫度變化發(fā)生在星型管厚度方向,而翅片管上溫度則無(wú)明顯變化。在星型管厚度方向,溫度梯度都呈均勻分布態(tài)勢(shì),但是由于翅片延伸方向的阻擋,在翅片根部位置的熱量交換很明顯弱于星型管其他部位,結(jié)合前述熱流密度分布圖可知,熱流密度最大值出現(xiàn)在相鄰翅片的中間部位,由星型管外壁指向內(nèi)壁。

利用氣化器入口及出口處的溫度變送器所記錄的天然氣介質(zhì)溫度,結(jié)合環(huán)境溫度記錄情況,繪制星型管入口及出口處熱流密度最大值與環(huán)境溫度的變化關(guān)系曲線,如圖11所示。

圖11 不同環(huán)境溫度下八翅片星型管熱流密度

由圖11可知,當(dāng)環(huán)境溫度變化時(shí),周?chē)h(huán)境與星型翅片管的熱交換量大小在星型管入口處與出口處呈現(xiàn)完全不同的趨勢(shì)。當(dāng)環(huán)境溫度由10 ℃逐步升高至50 ℃時(shí),入口處的熱流密度最大值幾乎呈線性增長(zhǎng),但是出口處的熱流密度最大值則呈下降趨勢(shì)。這是由于星型管入口處LNG介質(zhì)的溫度相對(duì)固定,為其沸點(diǎn)-162 ℃,隨著環(huán)境溫度的升高,星型管內(nèi)外溫差數(shù)值逐漸增大,因此換熱量數(shù)值也隨之增大,符合式（8）的表述。而星型管出口的介質(zhì)為氣態(tài),并且隨環(huán)境溫度的升高,氣態(tài)天然氣的溫度也隨之升高,而且環(huán)境溫度越高,氣態(tài)天然氣與環(huán)境溫度的差距越小,這樣就進(jìn)一步減少了星型管內(nèi)外介質(zhì)的熱量交換,導(dǎo)致熱流密度最大值不僅在數(shù)值上呈現(xiàn)逐漸下降趨勢(shì),而且在變化趨勢(shì)上變緩。

空溫式氣化器受環(huán)境溫度影響極大,實(shí)際的工程實(shí)踐中,除了前述的對(duì)流熱交換,當(dāng)環(huán)境溫度升高時(shí),太陽(yáng)輻射熱傳遞對(duì)于氣化器的換熱模式也有較大的影響。當(dāng)環(huán)境溫度逐步升高時(shí),太陽(yáng)直接輻射、散射輻射以及地表反射熱輻射都會(huì)極大增加[7],導(dǎo)致室外布置的氣化器與環(huán)境熱量交換大幅度提高,因而會(huì)大大提高換熱效率。

3 氣化器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化建議

3.1 入口匯集管的布置

由前述分析可知,星型管與LNG介質(zhì)的最大換熱量發(fā)生在入口處,即LNG介質(zhì)與環(huán)境溫差最大的部位,并且在自然對(duì)流條件下,伴隨低溫介質(zhì)入口流量增大,星型管內(nèi)介質(zhì)溫度變化速率將顯著減小,沿管長(zhǎng)各處翅片的表面溫度都將隨之降低[8]。因此,針對(duì)性增加換熱件數(shù)量和換熱面積,可有效地改善換熱狀況。工程應(yīng)用中可考慮增大入口匯集管尺寸,在滿足強(qiáng)度以及開(kāi)孔補(bǔ)強(qiáng)的前提下,多開(kāi)孔,采用跨接布局并行分布星型管,可增加入口處的液相天然氣分流,并且LNG入口流速越大,則傳熱系數(shù)越大,但是增大LNG入口流速不能無(wú)限提高翅片管傳熱系數(shù)[9]。不僅如此,通過(guò)將氣化器入口盡可能布置在向陽(yáng)面,還可以充分利用太陽(yáng)輻射,使得低溫段的星型管能更多地吸收輻射熱。

如圖12所示,在入口匯集管截面0°、90°、180°以及270°方向分別開(kāi)孔,并且根據(jù)氣化量需求設(shè)置開(kāi)孔數(shù)量,然后按照跨接布局模式（如圖13所示）連接入口匯集管與星型管。連接管長(zhǎng)度不宜過(guò)長(zhǎng),既要考慮溫度變化引起的變形,又要兼顧冷量損失,避免連接管外表面大范圍結(jié)霜。

圖12 入口匯集管

傳熱分析中將熱傳遞過(guò)程中的阻力稱(chēng)為熱阻,其數(shù)值等于熱流量與熱傳遞溫差之比?？缃硬季值娜肟趨R集管最大程度上降低了串聯(lián)熱阻的疊加,使得在多個(gè)通道都可獲得最大溫差的冷量介質(zhì),不僅可以充分發(fā)揮星型管的熱交換功能,也大大節(jié)約了熱損耗和換熱金屬材料,最終提高了氣化器的換熱效率。

3.2 星型管結(jié)構(gòu)選擇

星型翅片管一般是由熱擠壓工藝成型,研究表明開(kāi)放式翅片管的單位質(zhì)量散熱量要好于平斷面封閉式和弧形封閉式翅片[10]。依據(jù)前述分析可知,當(dāng)翅片數(shù)量超過(guò)八片時(shí),熱流密度增加并不明顯,而且翅片數(shù)量進(jìn)一步增加,將明顯減緩翅片之間空氣流動(dòng),又增加了結(jié)霜的可能性[11]。不僅如此,在滿足強(qiáng)度和工藝要求前提下,薄壁的鋁制星型管加工方便,重量較輕,結(jié)構(gòu)相對(duì)緊湊,方便運(yùn)輸和安裝,使用過(guò)程中又易于維護(hù),通過(guò)增加翅片數(shù)量,可顯著增加熱流密度,因此,很多設(shè)計(jì)者把鋁制多翅片星型管作為氣化器的首選。從原材料消耗的角度以及熱阻分析,選擇翅片數(shù)量為八片的薄壁鋁制星型管為最佳配置。

3.3 強(qiáng)制換熱輔助

星型管外表面是無(wú)相變的自然對(duì)流換熱模式,即星型管表面與環(huán)境空氣的對(duì)流換熱。星型管內(nèi)部則是有相變過(guò)程的沸騰換熱,即液態(tài)天然氣在吸熱后發(fā)生沸騰,進(jìn)而相變?yōu)闅鈶B(tài)天然氣,并且星型管內(nèi)相變能量完全來(lái)自星型管的外部熱量。因此通過(guò)外加強(qiáng)制輔助換熱設(shè)備,可有效增強(qiáng)管內(nèi)介質(zhì)的熱輸入狀況。常用的強(qiáng)制輔助換熱設(shè)備有外加風(fēng)扇或噴淋設(shè)備。風(fēng)扇應(yīng)沿星型管長(zhǎng)度方向裝設(shè),利于空氣自下而上的流動(dòng)。當(dāng)裝設(shè)排風(fēng)扇時(shí),風(fēng)扇應(yīng)安裝在氣化器頂部,根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境以及使用要求外加電源或者使用無(wú)動(dòng)力排風(fēng)扇。當(dāng)裝設(shè)送風(fēng)扇時(shí),由于氣化器下部可能存在結(jié)霜,如果風(fēng)扇安裝在氣化器底部則霜塊掉落可能影響風(fēng)扇正常工作,并且由于氣化器的高度一般較高,想要加速下部空氣對(duì)流并實(shí)現(xiàn)吹落霜塊的目的,只能選擇外加大功率電源風(fēng)扇,因此送風(fēng)扇必須安裝在氣化器頂部。工程實(shí)踐中還可選擇在氣化器頂部及側(cè)面裝設(shè)噴淋裝置,即利用一定溫度的水或蒸汽加熱星型管外壁,以此增大星型管內(nèi)外壁的溫差,并能夠?qū)崿F(xiàn)部分熔化表面結(jié)霜的功能,最終達(dá)到用外加強(qiáng)制輔助熱源提高換熱效率的目的。

4 結(jié)論

1）增加星型管翅片數(shù)量可以增加換熱面積,但是翅片數(shù)量最合理選擇是8片。在保證強(qiáng)度和加工工藝要求的前提下,較薄壁厚的星型管更利于熱交換。

2）伴隨環(huán)境溫度的升高,不僅星型翅片管與環(huán)境的換熱量更高,而且輻射熱的大幅增加更利于提高空溫式氣化器的熱交換。

3）通過(guò)增大空溫式氣化器入口處匯集管尺寸,并采用跨接布局并行分布星型管,可降低熱阻,有效提高氣化器的換熱效率。

4）可通過(guò)外加輔助換熱設(shè)備,如風(fēng)扇或噴淋裝置,用以改善空溫式氣化器表面的對(duì)流熱交換。