新型LNG輸送管道保冷層的傳熱特性研究

郭斌 李雪蕊 梅寧

【摘 要】二烯烴閉泡聚合物與丁晴橡膠閉泡聚合物組合的Armaflex低溫體系在LNG保冷領域具有較好的應用前景。本文考慮材料變導熱系數，利用CFD技術對該種組合的保冷層的傳熱特性進行了研究，當保冷層間存在空氣間隙時，其溫度分布和溫度梯度都有規律性變化，并得出保冷層間存在空氣間隙能有效降低輸送管道的冷損失。

【關鍵詞】 Armaflex低溫體系 LNG 變導熱系數 CFD

隨著世界經濟的迅猛發展以及我國能源結構的調整，探求綠色能源及節能環保成為各國能源政策的重中之重[1-2]。作為傳統綠色能源的天然氣，它的需求量隨之上升，而液化天然氣（LNG）方便天然氣的儲存和運輸。天然氣在加工處理和液化、運輸過程中需要采用大量低溫深冷工藝，因此管道的絕熱保冷設計是一個非常重要的問題。材料的保冷設計選取不合適，不僅會造成投資浪費，還會影響到液化天然氣輸送[3-4]。由德國阿樂斯國際有限公司研制開發的Armaflex低溫體系，有非常好的絕熱保冷功能，還有重復利用等優點。

設計保冷層時，通常采用平均導熱系數進行計算，而大部分材料的導熱系數隨著溫度的變化而變化。本文考慮了丁晴橡膠低溫閉泡聚合物與二烯烴低溫閉泡聚合物的變導熱系數特性，利用FLUENT軟件對該種組合保冷層的傳熱特性進行仿真研究，獲得了材料內部的溫度分布情況。分析了保冷材料層間有無空氣間隙兩種情況下保冷層內部溫度分布及溫度梯度差異，進一步得出對保冷性能的影響，為LNG管道保冷材料的選取及安裝做出了一些探索。

1 數值模型的建立

1.1物理模型

Armaflex低溫體系直接敷設在低溫輸送管道上，二烯烴低溫閉泡聚合物耐低溫，適宜-165℃～-50℃溫度范圍，為內保冷層。丁晴橡膠低溫閉泡聚合物適于高于-50℃的情況，為外保冷層[5-6]。LNG輸送管道的直徑d=50mm，內保冷層直徑為d1=144mm，外保冷層直徑為d2=230mm。圖1為保冷層的示意圖。

物理模型如下：

（1）保冷層內為圓柱坐標系下沿半徑方向的一維導熱問題；

（2）保冷材料的導熱系數與溫度呈分段一次函數關系；

（3）空氣間隙內為層流；

（4）輸送管道為恒定壁溫，保冷材料外壁面為對流換熱形式。

1.2數學模型

本文數值模擬分兩種情況：一種是材料間無縫配合，接觸熱阻為零；一種是材料間有空氣間隙。空氣間隙設定為1mm，可忽略體積力以及黏性引起的熱耗散，其流動與傳熱問題，控制方程可表示為

（1）

式中： 為通用變量，代表 、 、 、T等求解變量； 為廣義擴散系數；S為廣義源項。

保冷材料的導熱問題歸為柱坐標系中的導熱問題。該過程可以簡化為常物性、無內熱源的一維導熱問題。對于單層保溫材料，導熱微分方程簡化為

（2）

設保冷材料導熱系數λ為溫度T的一次函數，即：

（3）

將（3）代入（2）積分求解得：

（4）

式中：ρ為空氣的密度，T為溫度，T1、T2分別為保冷層內外壁溫度， r為半徑，r1、r2保冷層內外壁半徑，λ為保冷材料導熱系數，λ0、b為常數。

1.3 材料物性及邊界條件

二烯烴低溫閉泡聚合物導熱系數如下：

（-165℃≤T<-100℃） （5）

（-100℃≤T≤-50℃） （6）

丁晴橡膠低溫閉泡聚合物導熱系數如下：

（-50℃≤T≤20℃） （7）

管道輸送的LNG介質溫度為-163℃，則設輸送管道壁溫為該溫度。環境參數以夏季參數為計算輸入，露點溫度23℃，環境溫度按照25℃計算。管外壁至大氣的放熱系數為23.753 W/（m2·℃） ，此處放熱系數包含管道外壁與大氣的對流換熱和輻射過程，在計算過程中將輻射視為對流換熱的一部分。

2計算結果及分析

本文針對丁晴橡膠低溫閉泡聚合物與二烯烴低溫閉泡聚合物組合的LNG保冷層，其厚度依據變導熱系數計算公式進行計算所得。將1mm厚的空氣間隙設于半徑r=72mm處，材料間空氣間隙對保冷效果的影響是本文的工作重點。為針對性的分析保冷層傳熱特性，取其中間的徑向截面溫度場來進行分析，計算所得LNG低溫管道的溫度分布結果如圖2所示，圖2（a）為沒有空氣間隙模型計算得到的溫度分布云圖，圖2（b）為有空氣間隙模型計算得到的溫度分布云圖。

由圖2看出加空氣間隙與否對保冷層內溫度分布有影響但不明顯。模擬結果中，空氣間隙處的溫度約為245K，在該溫度下二烯烴低溫閉泡聚合物的導熱系數為0.0366W/（m·K），丁晴橡膠低溫閉泡聚合物的導熱系數為0.0302W/（m·K），而空氣的換熱系數為0.021 W/（m·K）。則在該位置處，導熱系數存在跳變。導熱系數的跳變將引起保冷層內溫度分布及溫度梯度的變化，整個保冷層的保冷性能也將受到影響。

在材料截面徑向取不同位置處的溫度，如表1所示。表中可以看出有空氣間隙時，徑向不同位置的同一位置點的溫度與沒有空氣間隙情況下的溫度不同，說明空氣間隙影響了整個保冷層的溫度分布。

圖3為保冷層徑向各位置的溫度差，由圖可知內管壁處和保冷材料外壁處，兩種情況的溫度差基本為零?？諝忾g隙處的溫度差出現跳變。整體的溫度差趨勢為先增大后減小，峰值處于空氣間隙設置位置處。

半徑/mm

圖3溫度差曲線

各點溫度分布出現變化，則溫度梯度隨之變化。各點的熱流率由材料導熱系數和該點的溫度梯度決定，而導熱系數與溫度直接相關，則該點的溫度與溫度梯度直接決定了該點的熱流率。圖4為有無空氣間隙兩種情況下保冷材料溫度梯度分布的差異。

半徑/mm

圖4溫度梯度曲線

無論是否加有空氣間隙，保冷層內溫度梯度隨半徑的增大而呈下降趨勢。由圖5可知，丁晴橡膠低溫閉泡聚合物與二烯烴低溫閉泡聚合物兩層保冷材料貼合處，溫度梯度出現折點。二烯烴低溫閉泡聚合物保冷層內，設有空氣間隙情況的溫度梯度大于材料緊密貼合情況的溫度梯度；在丁晴橡膠低溫閉泡聚合物保冷層內，設有空氣間隙情況的溫度梯度小于材料緊密貼合情況的溫度梯度。而兩層材料貼合處，有空氣間隙的溫度梯度又大于沒有空氣間隙的溫度梯度。

加入空氣間隙，單位長度的輸送管道冷損失率為20.49W，沒有空氣間隙的管道冷損失率為21.96W。即加入空氣間隙，單位長度輸送管道冷損失率減少1.47W。因此，加入空氣間隙有利于減少冷損失，并且作用比較明顯。

3 結語

（1）本文通過數值仿真，分析了Armaflex低溫體系的傳熱機理與傳熱特性。直觀的得到了保冷層內的溫度分布。

（2）對無縫貼合模型和加入空氣間隙模型的模擬結果進行對比，得到了兩種模型的溫度分布情況以及溫度梯度變化情況，其結果表明空氣間隙將改變保冷層內的溫度分布，進而影響保冷層的保冷性能。

（3）加入空氣間隙后，輸送管道冷損失率小于沒有空氣間隙的冷損失率，單位長度輸送管道冷損失率相差1.47W，即加入空氣間隙有利于減少冷損失，并且作用明顯。

參考文獻：

[1] 劉亦文.能源消費、碳排放與經濟增長的可計算一般均衡分析[D].湖南大學， 2013.

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[5] 顧安忠 等.液化天然氣技術[M].北京：機械工業出版社，2004 .

[6] 生動.LNG項目柔性材料管道保冷施工[J].管道技術與設備，2014，06：35-36 +42.