中間介質(zhì)氣化器中超臨界LNG換熱過程分析

王博杰，匡以武，齊超，王文，許佳偉，黃宇

（1上海交通大學(xué)制冷與低溫工程研究所，上海200240；2中海石油氣電集團有限責(zé)任公司，北京100027）

引 言

隨著能源危機與環(huán)境污染日益加劇，天然氣憑借其儲量大污染小的優(yōu)勢，逐漸成為能源市場的中堅力量。為方便運輸，天然氣往往先低溫液化成LNG，在使用前再進行氣化處理。國際上對LNG進行氣化的氣化器主要有4種：空氣冷卻式 （AAV）、開架式 （ORV）、浸沒燃燒式 （SCV）和中間介質(zhì)式（IFV）。前三者已經(jīng)發(fā)展得很成熟，并有廣泛應(yīng)用，而IFV技術(shù)尚處于完善階段，應(yīng)用也較少。但IFV引入中間介質(zhì)換熱，使海水不與LNG直接換熱，有效避免了海水結(jié)冰帶來的不利影響，也因為這個優(yōu)勢，中間介質(zhì)氣化器越來越得到青睞。

國內(nèi)外對于中間介質(zhì)氣化器的研究僅局限于結(jié)構(gòu)、材料等，對其中的傳熱機理的研究還很少。白宇恒等［1－2］采用數(shù)值計算方法對中間介質(zhì)氣化器做了熱動態(tài)特性研究，通過改變海水的進口溫度、流量與LNG的進口溫度、流量來討論這些因素對IFV換熱性能的影響。之后他們又采用一維數(shù)值計算模型對中間介質(zhì)氣化器的換熱面積進行了計算，并得到了符合工程設(shè)計的結(jié)果。

天然氣的主要成分是甲烷。一般情況下，LNG的氣化流程是在超臨界壓力下進行的。在IFV氣化器中，天然氣的超臨界換熱是核心換熱過程，對整個氣化過程起到關(guān)鍵性的作用，所以對甲烷超臨界換熱的研究，對于IFV技術(shù)的完善具有很重大的意義。

超臨界流體的主要特征是其物性會隨溫度產(chǎn)生劇烈的變化，尤其在其臨界點附近。因此對超臨界流體的研究較常規(guī)流體要復(fù)雜得多。目前對于超臨界流體換熱研究主要集中在超臨界CO2上，Yoon等［3］、Dang等［4］、Son等［5］均對超臨界 CO2的換熱特性進行了實驗研究，并各自提出了換熱關(guān)聯(lián)式。對于超臨界甲烷的換熱，杜忠選等［6］做了冷卻過程的數(shù)值模擬，討論了質(zhì)量流量和熱通量對傳熱系數(shù)的影響。王亞洲等［7］對超臨界甲烷應(yīng)用于航天燃料進行了湍流傳熱分析，發(fā)現(xiàn)在臨界點附近，傳熱特性會發(fā)生惡化現(xiàn)象，現(xiàn)有的常用對流換熱關(guān)聯(lián)式已經(jīng)不能適用于超臨界壓力下的甲烷換熱。李仲珍等［8］采用數(shù)值模擬方法研究了開架式氣化器中的超臨界甲烷換熱，認(rèn)為傳統(tǒng)的Dittus－Boelter公式在計算開架式氣化器超臨界甲烷換熱時能達(dá)到工程要求的準(zhǔn)確度。由于中間介質(zhì)氣化器實際工況的特殊性，有必要對其凝結(jié)器內(nèi)的超臨界甲烷傳熱進行深入的研究。

本文采用一維數(shù)值計算與CFD數(shù)值模擬的方法對中間介質(zhì)氣化器內(nèi)低溫甲烷在超臨界壓力下的傳熱特性進行研究，并進行了比較。

1 甲烷物性計算

采用式 （1）對甲烷的密度進行計算

黏度的計算采用Hanley提出的甲烷黏度模型。該模型建立在大量實驗數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，適用范圍廣，可用于計算溫度95～400K，壓力由常壓直至50MPa范圍內(nèi)的天然氣氣、液相黏度，誤差為2%，具體表達(dá)式如下

熱導(dǎo)率采用Ely－Hanley模型來計算。模型把純質(zhì)熱導(dǎo)率按平移和內(nèi)能的影響之和來計算。

焓與比熱容采用BWRS方程來計算。實際氣體的焓可由在該溫度下理想氣體的焓加上一個修正項求得。

比熱容由式 （5）求得

圖1是甲烷在6.3MPa壓力下，通過計算得到的各物性隨溫度的變化及與NIST數(shù)據(jù)的比較。

2 一維數(shù)值計算

通過尋找合適的換熱關(guān)聯(lián)式對中間介質(zhì)氣化器尤其是凝結(jié)器內(nèi)的超臨界換熱進行一維數(shù)值計算，計算的邏輯是保證各個換熱器以及總的系統(tǒng)能量守恒。本文對于凝結(jié)器內(nèi)超臨界甲烷的換熱過程采用文獻 ［9］中提到的修正的Jackson ＆Hall公式

計算采用實際運行狀況下LNG、海水入口條件，如表1所示。中間介質(zhì)氣化器凝結(jié)器的管外為中間介質(zhì) （本文采用丙烷）的膜狀凝結(jié)換熱，丙烷池維持飽和狀態(tài)，飽和溫度通過氣化器能量平衡迭代得到，不同的工況下計算的丙烷溫度也不一樣。下面研究不同壓力以及不同LNG流量下中間介質(zhì)氣化器內(nèi)超臨界甲烷換熱情況。換熱器尺寸采用中海浙江寧波液化天然氣有限公司提供的標(biāo)準(zhǔn)大型中間介質(zhì)氣化器尺寸參數(shù)。

圖1 6.3MPa壓力下甲烷物性隨溫度的變化Fig.1 Properties of methane with temperature in pressure 6.3MPa

表1 入口參數(shù)Table 1 Entrance parameters

圖2為計算得到的不同超臨界壓力下 （甲烷臨界壓力為4.59MPa）管內(nèi)LNG溫度與壁溫的沿程變化 （LNG流量選擇180t·h－1）。從圖中可以發(fā)現(xiàn)，不同壓力下，管內(nèi)LNG溫度與壁溫都是持續(xù)升高的，而且兩者溫差也從剛?cè)肟诘募s100K降至出口幾乎為零。區(qū)別是在低壓時 （但依舊高于臨界壓力），壁溫在前段換熱時有波動的現(xiàn)象，隨著壓力升高，這種波動現(xiàn)象逐漸消失。同樣，對于管內(nèi)LNG溫度，在壓力較低時，在溫升過程中會出現(xiàn)一段溫升曲線幾乎水平的區(qū)域，而隨壓力升高，這種現(xiàn)象也逐漸觀察不到。究其原因，是由于管內(nèi)LNG在換熱過程中經(jīng)過了假擬臨界溫度點 （比定壓熱容最高的溫度點），物性發(fā)生了劇烈的變化。而通過物性計算可以發(fā)現(xiàn)超臨界壓力越靠近臨界壓力，比定壓熱容的峰值也越高，即物性變化越劇烈。物性變化劇烈必將引起管內(nèi)流場的波動，流場的波動進一步又引起了壁溫的波動。

圖3為不同壓力下管內(nèi)傳熱系數(shù)的沿程變化，在不同超臨界壓力下，傳熱系數(shù)呈現(xiàn)出相同的變化趨勢，即先升高，達(dá)到一個峰值，接著降低，最后趨于穩(wěn)定。另外在入口處，傳熱系數(shù)都有略微降低的現(xiàn)象，其原因是由于甲烷的比定壓熱容在110～130K之間略微變小。盡管趨勢相同，不同壓力下的傳熱系數(shù)也有不同的特征。從圖中可以發(fā)現(xiàn)，管內(nèi)壓力越高，超臨界甲烷的傳熱系數(shù)的峰值就越低。可以想象當(dāng)超臨界壓力大到一定值時，傳熱系數(shù)變化趨于平緩，這也說明了超臨界換熱有一定的壓力范圍。至于為何壓力較低時傳熱系數(shù)峰值大，其原因也是由于工作壓力越接近甲烷的臨界壓力，物性變化就越劇烈。和壁溫一樣，在5MPa壓力下前段傳熱系數(shù)也發(fā)生了波動的現(xiàn)象，而原因同樣可以認(rèn)為是劇烈物性變化引起的流場變化。

圖2 不同工作壓力下管內(nèi)LNG溫度與壁溫的沿程變化Fig.2 Temperature of LNG and wall with different pressures

圖3 不同工作壓力下管內(nèi)傳熱系數(shù)的沿程變化Fig.3 Heat transfer coefficient with different pressures

計算得到的不同LNG流量下 （工作壓力選擇6MPa）管內(nèi)傳熱系數(shù)的沿程變化如圖4所示。可以發(fā)現(xiàn)不同LNG流量下的傳熱系數(shù)變化趨勢保持一致。LNG流量越大，整體的傳熱系數(shù)也越大，尤其在達(dá)到峰值時更加明顯。除此之外，不同LNG流量下，在前半段換熱中，傳熱系數(shù)都有波動，由此可見，改變流量對超臨界換熱中由于物性引起的傳熱系數(shù)的波動影響不大。

圖4 不同LNG流量下管內(nèi)傳熱系數(shù)沿程變化Fig.4 Heat transfer coefficient with different mass flow rate

3 數(shù)值模擬分析

第2節(jié)利用一維數(shù)值計算的方法對中間介質(zhì)氣化器內(nèi)甲烷超臨界換熱情況進行了研究，分析了壓力與流量對甲烷超臨界換熱的影響，下面通過數(shù)值模擬的方法進一步深入地研究管內(nèi)甲烷超臨界換熱。

3.1 物理模型

物理模型如圖3所示，圓管直徑12.7mm，實際為U形管，模擬分為3段直管處理，長度分別為9、0.8和9m，3段分別加相應(yīng)的第三類邊界條件 （由管外數(shù)值計算得到），選擇質(zhì)量流量入口與壓力出口，忽略重力與浮升力的影響，采用二維軸對稱模型。湍流模型的選擇上采用在超臨界二氧化碳換熱數(shù)值模擬中預(yù)測較好的Lam－Bremhorst低Reynolds數(shù)模型［10］。

圖5 物理模型Fig.5 Physical model

3.2 網(wǎng)格劃分

對 于 網(wǎng) 格 的 劃 分，Lam－Bremhorst 低Reynolds數(shù)模型要求y＋值小于1。在此基礎(chǔ)上，對壁面網(wǎng)格進行加密，劃分3組17×18000、34×18000、17×36000分別進行計算，結(jié)果差異不大，認(rèn)為網(wǎng)格劃分17×18000可以滿足計算要求。

3.3 數(shù)值方法

為保證及快速收斂，采用一階迎風(fēng)格式對連續(xù)性方程、湍流脈動動能方程以及湍流耗散率方程進行離散；而動量方程與能量方程采用QUICK格式離散。采用SIMPLEC算法求解壓力速度耦合方程。當(dāng)各方程殘差下降到一定數(shù)值且出口參數(shù)保持基本不變時認(rèn)為計算收斂。

3.4 數(shù)值模擬結(jié)果及分析

圖6顯示了數(shù)值模擬結(jié)果Nusselt數(shù)隨甲烷溫度的變化情況，并與修正的Jackson ＆Hall公式以及應(yīng)用最廣泛的Dittus－Boelter公式計算結(jié)果進行比較。兩個公式的結(jié)果都是先升高到一個峰值，接著平緩下降，只是Dittus－Boelter公式計算結(jié)果較修正的Jackson ＆Hall公式要高。而數(shù)值模擬的結(jié)果在假擬臨界區(qū)附近表現(xiàn)出不一樣的特征，數(shù)值模擬的Nusselt數(shù)在遠(yuǎn)離臨界區(qū)的區(qū)域保持和公式計算結(jié)果一樣的特征，但是在假擬臨界點附近，Nusselt數(shù)有明顯的下降過程，可以認(rèn)為在臨界區(qū)附近發(fā)生了傳熱惡化的現(xiàn)象。顯然Dittus－Boelter公式?jīng)]能很好地預(yù)測臨界區(qū)附近甲烷換熱情況，而修正的Jackson ＆Hall公式雖然刻意地降低了臨界區(qū)的Nusselt數(shù)，但同樣沒有出現(xiàn)Nusselt數(shù)突然減小的情況。為了更深入地了解傳熱惡化的情況，本文采用不同的流量入口對甲烷超臨界傳熱進行了數(shù)值模擬。

圖6 Nusselt數(shù)隨溫度的變化Fig.6 Nusselt number variations with temperature

圖7 不同進口流量下Nusselt數(shù)數(shù)值模擬結(jié)果Fig.7 Nusselt number with different mass flow rates

如圖7所示，本文采用7種不同的進口流量對超臨界甲烷換熱進行了數(shù)值模擬計算，其中0.058 kg·s－1為實際工況的流量。從圖中可以發(fā)現(xiàn)，在低流量工況如質(zhì)量流量在0.04和0.058kg·s－1時，Nusselt數(shù)會在接近臨界區(qū)時發(fā)生突然降低的現(xiàn)象，可以認(rèn)為在這一位置發(fā)生了傳熱惡化。隨著流量的增大，這一現(xiàn)象逐漸消失，在流量達(dá)到0.15 kg·s－1時，傳熱惡化已經(jīng)基本觀察不到。所以在甲烷超臨界換熱中，并不是都會出現(xiàn)傳熱惡化的現(xiàn)象，只有在低流量工況下才會出現(xiàn)明顯的傳熱惡化現(xiàn)象，這對實際中間介質(zhì)氣化器的運行有一定的指導(dǎo)作用。

4 結(jié) 論

通過一維數(shù)值計算和CFD數(shù)值模擬的方法研究了中間介質(zhì)氣化器凝結(jié)器內(nèi)的超臨界甲烷換熱情況，比較了數(shù)值計算與模擬仿真的結(jié)果，得到以下結(jié)論：

（1）中間介質(zhì)氣化器凝結(jié)器內(nèi)的換熱屬于超臨界LNG換熱，在超臨界LNG換熱中，傳熱系數(shù)會逐漸升高，在假擬臨界點附近達(dá)到一個峰值，然后下降趨于穩(wěn)定。

（2）當(dāng)管內(nèi)工作壓力接近臨界壓力時，由于物性劇烈變化，會引起傳熱系數(shù)與壁溫的波動。

（3）在甲烷超臨界換熱中，會出現(xiàn)傳熱惡化的現(xiàn)象，不過傳熱惡化的發(fā)生還受到流量的制約，在低流量工況下傳熱惡化現(xiàn)象比較明顯。所以提高甲烷的流量能有效地避免傳熱惡化現(xiàn)象的發(fā)生。

（4）現(xiàn)有的常用經(jīng)驗關(guān)聯(lián)式不能很好反映超臨界甲烷的傳熱惡化現(xiàn)象，修正的Jackson ＆ Hall公式在數(shù)值上較Dittus－Boelter公式更準(zhǔn)確一些。

符 號 說 明

cp——比定壓熱容，kJ·kg－1·K－1

D——管徑，m

h——比焓，kJ·kg－1

Nu——Nusselt數(shù)

Pr——Prandtl數(shù)

p——壓力，Pa

Re——Reynolds數(shù)

T——溫度，K

u——速度，m·s－1

V——比體積，m3·kg－1

Z——壓縮因子

λ——熱導(dǎo)率，W·m－1·K－1

ρ——密度，kg·m－3

下角標(biāo)

b——平均值

pc——假擬臨界點

r——對比態(tài)

w——壁面

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