水平管內甲烷超臨界壓力加熱的數值模擬

鄭偉業 陳 斌 欒輝寶 夏曉宇 王 崧

(中國船舶重工集團公司第七一一研究所)

天然氣因其燃燒清潔、儲量巨大被廣泛應用于工業生產、交通運輸及航空航天等領域[1]。在天然氣加氣站中，液化-壓縮天然氣(L-CNG)加氣站將液化天然氣(LNG)經高壓液體泵加壓汽化后向CNG汽車加氣[2]。因L-CNG加氣站有占地小、投資省、能耗低、噪音小、充裝速度快及不依賴管網等優勢而成為一種備受歡迎、具有良好發展前景的加氣站類型。相對于傳統通過氣體壓縮機來提高壓力的CNG加氣站，L-CNG加氣站的高壓是通過低溫高壓泵實現的。在相同質量流量和壓縮比的條件下，低溫高壓泵的投資、能耗和占地面積均遠小于氣體壓縮機。L-CNG系統中的氣化處于超臨界壓力狀態，管內LNG的氣化在低溫、高壓的條件下進行，因LNG低溫且易燃易爆，目前國內外鮮見對其超臨界試驗研究的報道。Chen D S和Shi Y M研究了亞臨界情況下LNG的沸騰傳熱性能[3]。

超臨界流體的換熱規律具有特殊性，當其壓力接近臨界壓力時，單相強迫對流換熱規律不成立；而當其溫度在準臨界溫度附近時，傳熱系數與普通單相強迫對流相比有時增高，有時降低。這種傳熱的“強化”和“惡化”促使學者對其機理進行探究。

目前國內對超臨界流體的研究以CO2冷卻換熱為主[4～6]，關于甲烷在超臨界壓力下的流動和傳熱研究十分有限，且大多為冷卻換熱的數值模擬[7,8]。筆者采用CFD數值模擬分析超臨界壓力下壁面熱流密度、質量流速和進口溫度對水平管內甲烷加熱換熱特性的影響規律。

1 數值求解方法

1.1物理模型

筆者選用的圓管直徑為4mm，總長度為2 000mm。Fluent計算中取二維模型，在ANSYS ICEM中建立圓管模型并劃分網格，網格單元總數為694 861。

1.2控制方程與求解方法

采用SST湍流模型[9]，忽略重力的影響，表面施加恒熱流密度邊界條件，進口設置為Mass flow rate，出口設置為Out flow。

質量守恒、動量守恒和能量守恒的通式可寫成：

式中Sφ——源項；

φ——全局變量；

Γφ——擴散系數。

采用Simplec算法求解壓力和速度耦合方程，采用Quick算法離散動量和能量方程，采用一階迎風格式離散湍動能和湍流耗散方程，動量、能量、湍動能和湍流耗散的松弛因子分別取0.70、0.99、0.80、0.80。物性(密度、比熱、粘度和導熱系數)利用NIST軟件計算并采用Piece-linear法輸入。計算結束后輸出沿管長方向的壁溫Tw和流體溫度Tb分布。

局部表面傳熱系數hi的計算式為：

hi=qw/(Tw-Tb)

式中qw——熱流密度。

2 模型的驗證

筆者選取文獻[9]中圖9a液氮的工況，采用相同的結構參數，利用ANSYS ICEM劃分網格，并用ANSYS fluent進行求解，得到不同進口溫度Ti、熱流密度qw和進口質量流速G下的壁溫模擬值與試驗值對比(圖1)，由圖1可知，模擬所得結果與試驗結果一致性較好。

圖1 壁溫模擬值與試驗值對比

3 影響因素分析

筆者選取甲烷工作壓力5MPa，進口溫度160～190K，進口質量流速100～400kg/(m2·s)，加熱段的熱流密度為40～160kW/m2。

3.1熱流密度

進口溫度180K、質量流速400kg/(m2·s)時，熱流密度對壁溫和表面傳熱系數的影響如圖2所示。圖2a中壁溫均大于準臨界溫度，且隨著熱流密度的增大而升高；圖2b中的豎直線表示流體溫度達到準臨界溫度，豎直線左側流體溫度低于準臨界溫度，右側流體溫度高于準臨界溫度。由圖2b可知，表面傳熱系數隨著熱流密度的增大而減小；對于確定的熱流密度，表面傳熱系數呈現先增大后減小的趨勢；在準臨界溫度附近，流體溫度超過準臨界溫度的相對距離隨著熱流密度的增大而減小。

a. 壁溫

b. 表面傳熱系數

3.2質量流速

進口溫度180K、壁面熱流密度100kW/m2時，質量流速對表面傳熱系數的影響如圖3所示。從圖3可知，表面傳熱系數隨質量流速的增大而增大。這是由于當質量流速增加時，流體湍流程度增大，換熱效果增強。

圖3 質量流速對表面傳熱系數的影響

3.3進口溫度

圖4 進口溫度對表面傳熱系數的影響

4 結論

4.1當進口溫度和質量流速一定時，隨著熱流密度的增加，壁溫增大，而表面傳熱系數減小。

4.2當進口溫度和壁面熱流密度一定時，表面傳熱系數隨質量流速的增大而增大。

4.3當質量流速和壁面熱流密度一定時，表面傳熱系數隨著進口溫度的增加而增大。

[1] 李言偉.天然氣流量計量中確定壓縮因子的方法[J].化工自動化及儀表,2013,40(1):12～15.

[2] 賀紅明，林文勝，顧安忠. L-CNG加氣站技術淺析[J]. 天然氣工業，2007，27(4)：126～128.

[3] Chen D S, Shi Y M. Experimental Study on Flow Boiling Heat Transfer of LNG in a Vertical Smooth Tube[J]. Cryogenics, 2013, 57: 18～25.

[4] 付萌，呂靜，秦娜. CO2在超臨界條件下流動換熱的實驗研究[J]. 制冷，2007，26(1)：14～17.

[5] 張宇，姜培學，石潤富，等. 豎直圓管中超臨界壓力CO2對流換熱實驗研究[J]. 工程熱物理學報，2006，27(2)：280～282.

[6] 曹侃，董其伍，劉敏珊，等. 超臨界CO2冷卻換熱特性數值模擬[J]. 低溫工程，2012，(1)：56～60.

[7] 杜忠選，林文勝，顧安忠，等. 豎直圓管內超臨界甲烷冷卻換熱數值模擬[J].化工學報，2009，60(z1): 63～67.

[8] 王亞洲，華益新，孟華. 超臨界壓力下低溫甲烷的湍流傳熱數值研究[J]. 推進技術，2010，31(5): 606～611.

[9] Zhang P, Huang Y, Shen B, et al. Flow and Heat Transfer Characteristics of Supercritical Nitrogen in a Vertical Mini-tube[J]. International Journal of Thermal Sciences, 2011,50(3): 287～295.