超臨界壓力下空溫式氣化器傳熱特性分析

李思萌

(西安石油大學(xué),陜西 西安 710065)

隨著我國對(duì)天然氣的需求量越來越大,西氣東輸、陜京線等幾條重點(diǎn)輸氣線路已經(jīng)開通,但仍有一定的局限性,無法完全解決天然氣的供需問題,因此,引進(jìn)國外LNG,已經(jīng)成為當(dāng)前中國緩解LNG短缺的一種有效途徑。目前LNG的進(jìn)口大都是依靠水路LNG運(yùn)輸船完成的,因此,在沿海,建設(shè)一個(gè)接收站顯得尤為重要。這些接收站的結(jié)構(gòu)主要由氣化設(shè)備、輸氣干線和站內(nèi)管網(wǎng)組成,而目前,市面上普遍使用的氣化設(shè)備可以分為開架式、浸沒燃燒式、空溫式氣化器等[1]。

1 空溫式氣化器簡介

LNG是一種在-162 ℃條件下,經(jīng)脫酸脫氫后用天然氣進(jìn)行低溫凍結(jié)、液化而得到的一種液態(tài)燃料。液化天然氣中蘊(yùn)含著大量的能量,在不使用燃料的情況下,可以發(fā)揮出最大的作用,也不會(huì)對(duì)環(huán)境造成二次污染。LNG作為一種更加安全和清潔的能源,受到國際社會(huì)的廣泛關(guān)注。就周圍的條件來說,低溫的冷源是有能量輸出的,而且隨著溫度的降低,冷源的能量輸出也會(huì)增加。一般情況下,LNG 的做功性能是由有效能量來表達(dá)的,當(dāng)液化天然氣從-162 ℃至室溫時(shí),有效能量為 1 050 kJ/kg, 也就是1 kg LNG 最多可以向外部輸出1 050 kJ,大約是整個(gè)制冷系統(tǒng)的67%。在此基礎(chǔ)上,我們可以將LNG中的低溫能量轉(zhuǎn)化為電能。

目前,利用 LNG 冷能的主要方式有:分高空氣[2],海水淡化[3],液化CO2[4],冷能發(fā)電等[5-6]。在這些里面冷能發(fā)電比較成熟,冷能發(fā)電的方法可以分為:直接膨脹法,聯(lián)合法,有機(jī)朗肯循環(huán),燃?xì)廨啓C(jī)利用以及溫差發(fā)電。在這些方式里,溫差發(fā)電除外,其他方式都屬于動(dòng)力循環(huán)發(fā)電。雖然發(fā)電效率相對(duì)較高,但系統(tǒng)復(fù)雜,初期投資較高,應(yīng)用范圍僅在相對(duì)較大的地方使用,具有一定的局限性。

本文通過采用空溫式氣化器,我們可以有效地將石油氣(LPG)和天然氣(LNG)進(jìn)行氣化,這種技術(shù)具有低成本、高效率、低污染等優(yōu)點(diǎn)?？諟厥綒饣魇怯蓭讉€(gè)大小相同的豎直星型翅片管排列組合組成的,目前,這種設(shè)備常用的材質(zhì)為鋁合金,在操作過程中,LNG從翅片管進(jìn)入,并向頂部流動(dòng),環(huán)境空氣與管壁發(fā)生自然對(duì)流,熱量將會(huì)傳遞到管內(nèi),LNG受熱氣化。沿流動(dòng)方向,翅片管可分為蒸發(fā)段和過熱段。LNG在氣化過程中,AAV管溫突降,隨著時(shí)間的增加,周圍空氣中的水蒸氣會(huì)在管壁凝結(jié)成霜[2]。許多站點(diǎn)一般會(huì)配有多個(gè)備用的氣化器,從而在除霜過程中不影響LNG的氣化效率。通常會(huì)在流體出口位置處安裝一個(gè)水浴加熱器,對(duì)天然氣進(jìn)行加熱處理,從而讓流體出口溫度達(dá)到輸出溫度要求。

空溫式氣化器以空氣作為熱源,因此氣化器在使用時(shí),并不需要考慮地域要素的影響,所以運(yùn)作成本偏低,同時(shí),在一定程度上減少對(duì)周圍環(huán)境的污染,并避免出現(xiàn)大量的廢物排放。由于其結(jié)構(gòu)簡單,占地面積小,操作靈活等優(yōu)勢,因此在維護(hù)后,對(duì)比其他空化器而言更為簡單,在沿海地區(qū)調(diào)峰站、LNG 加氣站內(nèi)有著廣泛的應(yīng)用[3]。然而,由于受到環(huán)境條件的影響,這種產(chǎn)品的傳熱性能仍然存在一定的問題,特別是當(dāng)環(huán)境溫度降低、濕度增高時(shí),翅片管外的結(jié)霜更為容易,同時(shí)會(huì)伴隨著傳熱惡化問題,不僅如此,氣化器工作效率也會(huì)因?yàn)榧竟?jié)的不同發(fā)生變動(dòng)。

空溫式氣化器在國內(nèi)的發(fā)展時(shí)間較短,主要面向浙江和廣東地方。因?yàn)榭諟厥綒饣髋c環(huán)境要素有直接關(guān)聯(lián),起初主要出現(xiàn)在南方氣溫較高地區(qū),這些年來在全國范圍中廣泛推廣,在東北嚴(yán)寒區(qū)域也逐漸被應(yīng)用[4]。

韓國研究人員Lee[5]引入了吸收系數(shù)的具體定義,將吸收系數(shù)與飽和空氣中的水蒸氣密度聯(lián)系了起來,構(gòu)建了冷表面水蒸氣凝結(jié)的數(shù)值模型,它能夠很好的模擬結(jié)霜的情況。巴西研究人員 Hermes假定霜層為一種多孔介質(zhì),并參照結(jié)合質(zhì)能平衡方程構(gòu)建了結(jié)霜數(shù)值模型,分析了不同運(yùn)行參數(shù)對(duì)霜層物性的影響。意大利研究人員 Fossa實(shí)驗(yàn)研究了豎直冷板的自然對(duì)流結(jié)霜發(fā)生,數(shù)據(jù)表明,隨著時(shí)間增加,結(jié)霜嚴(yán)重,隨著濕度的增加,結(jié)霜惡化,但冷表面溫度對(duì)結(jié)霜影響較小。美國研究學(xué)者Gavelli借助 CFD 特定方法預(yù)測 AAV 作用下霧云的生成、散布和完全消失,在確定達(dá)到流量空氣飽和時(shí)應(yīng)當(dāng)需要什么條件使用了適度計(jì)量方法。澳大利亞研究人員Sun等相關(guān)人員建立了超臨界壓力下 AAV 傳熱模型,研究了超臨界壓力下AAV的傳熱特性:Hyo-Min Jeong 等研究是借助 ICEM-CFD 工具軟件形成三維圖形網(wǎng)格劃分,借助STAR-CD 進(jìn)行三維模型計(jì)算,與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比分析了 AAV 管外霜層受管內(nèi)溫度、翅片管結(jié)構(gòu)參數(shù)的影響,換熱器采取使用特定的數(shù)值模擬方法并相互比較:MarcoFossa實(shí)驗(yàn)研究了豎直冷板結(jié)霜實(shí)驗(yàn),并于數(shù)值模型計(jì)算結(jié)果分析;Miler研究了熱泵運(yùn)行情況下露天場合下翅片管的結(jié)箱情況,在這種情況下結(jié)霜的主要因素是環(huán)境溫度和空氣的濕度,高濕度情況下,結(jié)霜更嚴(yán)重:O'Neal研究了星型翅片管的結(jié)霜情況,改變了周圍環(huán)境的空氣參數(shù)以及翅片管之間角度去對(duì)比分析結(jié)霜規(guī)律,結(jié)果發(fā)現(xiàn),霜層受空氣參數(shù)和翅片管之間間距影響巨大;Senshu提出了一種預(yù)測不同工況下霜層生長速度的數(shù)據(jù)分析方法。他的研究結(jié)果表明,冷卻系統(tǒng)的溫度越低,霜層增長得越快;Ameen研究了平行板翅片的結(jié)霜,提出了一種具體的方法來預(yù)測不同工況下的過熱蒸汽下各種不同翅片管水蒸氣冷凝的具體情況,研究內(nèi)容發(fā)現(xiàn)降低制冷系統(tǒng)的環(huán)境溫度和氣流流速會(huì)使結(jié)霜惡化:Christian J.L Hermes等相關(guān)研究人員從理論和實(shí)驗(yàn)兩方面對(duì)平板表面的結(jié)霜和致密化進(jìn)行了研究,假設(shè)霜層結(jié)構(gòu)為多孔的介質(zhì),研究了影響結(jié)霜過程的主要因素。

2 超臨界壓力下空溫式氣化器傳熱特性研究

2.1 換熱機(jī)理

盡管 AAV 是一種由多根翅片管組合而成(如圖1所示),但其內(nèi)部的換熱過程十分復(fù)雜。本章研究 AAV 的進(jìn)口位于翅片管下側(cè),出口位于翅片管上側(cè),當(dāng)其開始工作時(shí),冷凝液由下側(cè)進(jìn)入氣化器,并在其流道中逐步吸收并氣化,最后由其排出。LNG 被氣化器氣化所需要的熱量主要來自于周圍環(huán)境中的空氣。當(dāng) AAV 表面發(fā)生結(jié)霜時(shí),由于其表面結(jié)霜,形成了一種類似于隔熱膜的結(jié)構(gòu),影響了熱量的傳遞,降低流體與周圍空氣的換熱效率。AAV 結(jié)霜之后,周圍的空氣要把熱傳遞到翅片管中的流體,需要經(jīng)過三種途徑,即:與霜層的對(duì)流換熱和霜層的導(dǎo)熱、翅片管的管壁的導(dǎo)熱、翅片管與流體的對(duì)流換熱。LNG 在管道中將通過冷區(qū)、沸騰區(qū)、液膜強(qiáng)迫對(duì)流蒸發(fā)區(qū)、缺液區(qū),最后由水蒸氣的流動(dòng)換熱而排出,其相轉(zhuǎn)變與流體形態(tài)密切相關(guān),隨著流體受熱,管道中的氣相比重會(huì)逐步增加,而液相比重會(huì)逐步降低,從而出現(xiàn)流體形態(tài)的變化。

圖1 翅片管結(jié)構(gòu)示意圖

2.2 模型建立

由于其滿足能量守恒規(guī)律,而在工程實(shí)踐中,由于受到多種因素的干擾,其傳遞過程更加復(fù)雜。若適當(dāng)?shù)丶右钥剂?則將提高其數(shù)學(xué)模型的困難程度。所以,可以對(duì)這些小的變量進(jìn)行適當(dāng)?shù)暮喕蛘吆鲆?并做如下假定:

(1)在計(jì)算模型時(shí),將翅片管沿LNG流動(dòng)方向分成若干個(gè)相等的微元段,各個(gè)微元段的任意時(shí)間中,霜層物性參數(shù)在厚度方向均保持均勻的分布狀態(tài);(2)翅片管軸向長度遠(yuǎn)大于徑向長度,因此管外霜層生長視為一維;(3)霜層的生長是一個(gè)動(dòng)態(tài)的,但在微元時(shí)間內(nèi)可以視為穩(wěn)定狀態(tài);(4)周圍大氣的溫度保持不變;(5)翅片管上的空氣流動(dòng)看作是自然對(duì)流的傳熱過程;(6)操作過程中保持穩(wěn)定的壓力;(7)不考慮接觸熱阻效應(yīng);(8)不考慮PN結(jié)之間的間歇;

在結(jié)霜狀態(tài)下,翅片管管外能量主要包括空氣與霜層間的自然對(duì)流換熱,水蒸氣的氣化潛熱以及周圍空氣和霜層表面間的輻射換熱。根據(jù)準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)假設(shè),建立了結(jié)霜條件下各個(gè)時(shí)間間隔內(nèi)傳熱微元段的能量平衡方程如下:

在其結(jié)霜處理后,翅片管微元段和空氣的真實(shí)傳熱面積擴(kuò)大為:

霜層傳質(zhì)速率:

由于超臨界壓力影響,在不同溫度的作用下,熱物性參數(shù)有顯著的變動(dòng)。

其中:

管內(nèi)對(duì)流換熱系數(shù):

在上述公式中:

Af—翅片管外表面積;Ta—空氣溫度(K);Tf—霜層表面溫度;sv—水蒸氣的氣固相變焓;ε—霜層輻射常數(shù);—翅片管外表面溫度(K);Twi—翅片管內(nèi)表面溫度(K);λ—導(dǎo)熱系數(shù),W/( m ·K);l—微元段長度(m);n—翅片個(gè)數(shù);y—翅片高度(m);dout—翅片管外徑;din—翅片管內(nèi)徑,λAl—鋁合金導(dǎo)熱系數(shù),W/(m ·K),yfr—結(jié)霜翅片高(m);dfr—結(jié)霜翅片管外徑,hm—表面?zhèn)髻|(zhì)速率(m/s);ρva—空氣水蒸氣密度(kg/m3) ;ρvf—霜表面水蒸氣密度,Nu—努塞爾特?cái)?shù);Reb—管內(nèi)LNG雷諾數(shù);Prb—管內(nèi)流體普朗特?cái)?shù);ρw—內(nèi)流體密度 ;ρb—管內(nèi)流體密度,Tb—流體的溫度;Tw—管子內(nèi)壁面溫度;Tpc—流體的臨界溫度;hf—管內(nèi)換熱系數(shù)。

2.3 計(jì)算流程

采用FORTRAN軟件對(duì)整個(gè)運(yùn)行過程進(jìn)行模擬 ,其操作流程如下所示:

(1)分別輸入環(huán)境參數(shù)、運(yùn)行參數(shù)、翅片管結(jié)構(gòu)參數(shù)、PN結(jié)參數(shù)。

(2)決定時(shí)間和長度步長以及迭代次數(shù)。

(3)在t時(shí)間點(diǎn),先假定 AAV 外壁溫度TAl,o,從而得出了 假定霜層表面溫度Tfs,通過二分法進(jìn)行迭代得出了實(shí)際的Tfs,從而計(jì)算出其他實(shí)際霜層物性參數(shù)以及外層各壁面溫度,之后假定 PN結(jié)冷端溫度TL,進(jìn)而得到 PN結(jié)各參數(shù)以及熱端能量QH, 再通過二分法進(jìn)行迭代得出了實(shí)際的TL,從而計(jì)算出實(shí)際PN結(jié)各參數(shù)以及冷端能量QL;并依次計(jì)算出內(nèi)層各壁面溫度。然后通過 REFPROP 物理特性軟件中的NIST 程序,通過焓值的方法計(jì)算出液體的溫度Tf和管道中熱流密度Q3,來判定是否符合精度要求,若Q3、QL,符合精度條件,就繼續(xù)進(jìn)行下一個(gè)微單元的運(yùn)算。若不符合精度的條件,若Q3大于QL,那么TAl,o=TAl,o+0.000 01,反之TAl,o=TAl,o-0.000 01,這樣反復(fù)進(jìn)行以上的運(yùn)算,直到管道長度的迭代完成。

(5)通過對(duì)時(shí)間步長進(jìn)行反復(fù)求解,得到了某一時(shí)段的空溫式氣化器的總體熱電參數(shù)。

(6)輸出各熱電性能參數(shù)。

2.4 邊界條件設(shè)置

計(jì)算所采用的參數(shù)如表1所示。

表1 結(jié)構(gòu)參數(shù)

3 結(jié)果與分析

3.1 管內(nèi)流體溫度

隨著管長的增加,管內(nèi)流體溫度持續(xù)增加,在氣液共存段,管內(nèi)流體溫度增長較為緩慢,在單相液段,管內(nèi)流體溫度增加且增加速率較大,在單相氣段,管內(nèi)流體溫度先增加較快,之后增加較為緩慢。隨著時(shí)間的增加,管中不同位置的LNG流體溫度保持穩(wěn)定,而管內(nèi)流體溫度將根據(jù)管長持續(xù)增加,最后在出口位置趨于穩(wěn)定。

3.2 管外壁面溫度

翅片管外壁面溫度沿管長分布規(guī)律和管內(nèi)流體溫度基本一致,反觀氣液兩相區(qū)外壁面溫度會(huì)出現(xiàn)一個(gè)突降點(diǎn),主要是因?yàn)楸诿鏈囟?73.15 K,滿足不結(jié)霜的情況,并且在臨近出口端外壁溫有所減少,導(dǎo)致管內(nèi)外能量平衡后又出現(xiàn)新的增長。隨著運(yùn)行時(shí)間的增加,流體溫度和管外壁面溫度不斷降低,這是由于霜層的生長導(dǎo)致了傳熱的惡化。

3.3 霜層厚度

隨著管長的增加,霜層厚度不斷降低,在單相液段,下降速率較為緩慢,在氣液共存段,逐漸趨于穩(wěn)定,主要是兩相區(qū)換熱為蒸發(fā)沸騰換熱,管內(nèi)外溫差減小導(dǎo)致具有較高的換熱系數(shù),從單相氣段看,霜層厚度將降低至0 mm,主要是因?yàn)楣芡獗诿鏈囟群铜h(huán)境溫度基本一致,能持續(xù)降低結(jié)霜速率。霜層大都覆蓋在單相液段和氣液兩相段,單相氣段只有少部分霜層覆蓋,隨著時(shí)間的增加,霜層變得越來越厚,導(dǎo)致傳熱受到嚴(yán)重阻礙,因此需要及時(shí)對(duì)翅片管除霜以提高氣化器的換熱效果。

3.4 霜層表面溫度

當(dāng)管道長度增加,霜層的表面溫度持續(xù)升高,但其升溫速度在0～7 m距離內(nèi)比較緩慢,然而,超過7 m后,溫度的上升速度顯著提升,這使得結(jié)霜逐漸穩(wěn)定。隨著運(yùn)行時(shí)長的增長,霜層表面溫度的上升速度持續(xù)下滑,與此同時(shí),管道長度內(nèi)霜層所占比例也在增大。通過時(shí)間維度分析,我們可以看到,盡管運(yùn)行時(shí)長不斷延長,霜層表面溫度仍在上升,但不同時(shí)間節(jié)點(diǎn)之間的溫度差距在逐步降低。

3.5 霜層密度

隨著管長的增加,霜層密度在持續(xù)提升,并且在0～9 m 中其增長速率較為緩慢,如果大于9 m,則增長速率相對(duì)提升,這是因?yàn)? m之前霜層主要進(jìn)行厚度的增長,其次進(jìn)行密度增長,而當(dāng)管長超過9 m 時(shí),霜層主要進(jìn)行密度的增長,其次進(jìn)行厚度的增長。隨著時(shí)間的增加,霜層的密度在不斷地增加。

3.6 管內(nèi)外對(duì)流換熱系數(shù)

在單相液段和氣液共存段,管外對(duì)流換熱系數(shù)在持續(xù)增加,并且增長速率相對(duì)較低,主要是因?yàn)榻Y(jié)霜比較嚴(yán)重,使得管外換熱系數(shù)較小,但在單相氣段,當(dāng)霜層逐漸消失后,霜層表面粗糙度也會(huì)持續(xù)減少,進(jìn)而使管外換熱系數(shù)突降,不結(jié)霜時(shí)的換熱系數(shù)與結(jié)霜時(shí)換熱系數(shù)相比更低,但趨勢都大致相同。單相液段和單相氣段,管內(nèi)換熱系數(shù)和氣液兩相區(qū)相比,明顯很小,這是由于在該區(qū)域LNG的熱物性發(fā)生劇烈變化,導(dǎo)致傳熱強(qiáng)化,并且出現(xiàn)峰值,隨著時(shí)間的增加,管內(nèi)換熱系數(shù)的峰值逐漸增加,但峰值位置逐漸后移,這是由于霜層的影響。