兩相流傳熱模型在LNG 加熱氣化裝置中的研究

楊帆，李康

（201620 上海市 上海工程技術大學）

0 引言

近年來,環境與能源的問題已經成為人們關注的重點，作為清潔能源的天然氣也逐漸應用于各方面工作生活中，低溫液化后的天然氣LNG（Liquefied Natural Gas，簡稱LNG）也成為國際天然氣貿易的首選，相應的LNG 加熱氣化裝置的研究也成為熱點[1]。相關研究中，劉珊珊[2]系統闡述了LNG 氣化器的傳熱機理，利用了極值焓差法為氣化器的運行調節提供了指導性依據；嚴銘卿[3]針對LPG 混合物，論證了氣化裝置傳熱溫度、運行壓力參數等的問題；李慧君[4]等對含濕煙氣的換熱特性進行了系統性的闡述，并驗證了相變換熱可以大幅度提高換熱系數。上述研究均推動了LNG 氣化裝置的設計和傳熱方向的發展，但LNG 氣化裝置在使用過程中，仍然存在著氣化速率低、氣化能力不足、傳熱效果差的問題，所以對LNG 氣化裝置的深入研究仍然是熱點話題。

1 LNG 加熱氣化裝置設計

1.1 LNG 加熱氣化裝置設計的基本要求

設計新型LNG 加熱氣化裝置需要重點考慮以下3 點：

（1）保證裝置在運行期間的安全性能；

（2）換熱效率高，實現熱能的回收再利用，排放煙氣達到節能環保的標準；

（3）適用于負荷變化范圍大，可滿足調峰狀態或迅速供氣的情況。

1.2 煙氣沖擊旋水子型氣化裝置的設計

根據LNG 加熱氣化裝置設計的基本要求，研究新型煙氣沖擊旋水子型LNG 加熱氣化裝置的設計思路為：利用燃燒器產生的高溫煙氣直接沖擊半浸沒在池水中的旋水子，煙氣沿著旋水子的導向曲面切向沖擊水面，在與水面換熱的同時，與濺起的水滴、水霧形成含濕煙氣。在風機的作用下，含濕煙氣向上流動，與上部盤管區域進行相變換熱。

利用含濕煙氣作為中間介質，一方面利用相變換熱釋放潛熱，增強換熱效率；另一方面蒸汽冷凝破壞管壁凝結液邊界層，減小熱阻[5]。煙氣循環參與氣化活動，在降低燃燒室新產生的煙氣溫度的同時，也加大了對水面的沖擊量，使得更多的熱量可以傳遞到水中，為實現裝置的經濟、安全、高效運行[6]。

1.3 煙氣沖擊旋水子型氣化裝置的技術參數

新型煙氣沖擊旋水子型LNG 加熱氣化裝置設計的主要技術參數：（1）裝置質量為1 255 kg；（2）裝置負荷為550 Nm3/h；（3）LNG 加熱氣化后供氣溫度為25 ℃；（4）LNG 加熱氣化后供氣壓力為0.5 MPa；（5）LNG 加熱氣化裝置最高工作壓力為0.8 MPa。

2 煙氣沖擊旋水子型兩相流傳熱模型數值模擬

2.1 煙氣沖擊旋水子型兩相流傳熱模型

2.1.1 煙氣沖擊旋水子型的結構模型

為了便于對該區域的流動和傳熱進行數值計算，LNG 氣化裝置經結構精簡后整體上呈現對稱的筒狀結構，因此，將模型簡化為二維軸模型，簡化后的結構模型如圖1 所示。

圖1 旋水子結構模型Fig.1 Substructure model of flue gas impingement cyclone

2.1.2 煙氣沖擊旋水子型網格的劃分

本文采用Creo 軟件根據上述結構模型進行幾何建模，在Meshing 中利用Proximity and Curvature 進行網格劃分，得到了61 306 個網格數目和62 121 個節點。

2.1.3 煙氣沖擊旋水子型的計算模型

本文采用壓力基求解器，瞬態計算，采用VOF 兩相流動模型，將主相定義為煙氣、次相定義為水的，湍流模型選用標準k-ε模型，壓力—速度耦合算法采用SIMPLE 算法，控制方程的離散格式采用Second Order Upwind 格式，壓力差分格式采用PRESTO 差分格式[7-8]。

2.1.4 模擬仿真參數及條件設置

Fluent 軟件提供了標準的材料庫，但是煙氣相關數據需要選擇【User-Defined Database】手動輸入，密度、比熱和熱傳導、粘度等信息，如表1 所示。

表1 介質數據參數Tab.1 Media data parameters

本次數值模擬采用velocity-inlet，將inlet 定義為錐形噴嘴處，入口速度為30.3 m/s，溫度為897 K。采用pressure-outlet，將outlet 定義LNG氣化裝置的外壁與燃燒室外筒之間的環形區域，回流溫度為300 K，回流方向定義為垂直于邊界。壁面函數選擇固定壁面和無滑移的選項，由于本裝置在外殼處設置了保溫絕熱材料，因此理想化處理設定壁面的熱通量為0，恒定溫度300 K[9-10]。

2.2 氣液兩相流傳熱數值模擬及分析

2.2.1 煙氣沖擊旋水子型兩相流溫度場分布

在工作條件和其他結構參數不變的前提下，將錐形噴嘴與旋水子工作面距離為200 mm，液面高度60 mm 作為典型參數，通過Fluent 軟件進行數值模擬仿真獲取煙氣沖擊氣流旋水子時水相的體積分布和溫度分布狀況。

（1）煙氣沖擊旋水子水相的體積分布

為了更好地說明煙氣沖擊旋水子時水的擴散過程，對煙氣沖擊水面時，水相的體積分布隨時間的變化進行了數值模擬如圖2 所示。

圖2 水相的體積分布時歷圖Fig.2 Time history of volume distribution of water phase

從圖2 中可以看出：0.2 s 時，當高速煙氣剛開始沖擊旋水子時，噴嘴中心下方的水面出現了凹陷；0.6 s 時，煙氣在轉變流動方向的過程中開始脫離水面并出現向上擴散的趨勢；從1.0 s 起，水面被高速煙氣連續沖擊，濺起水滴、水霧并與煙氣發生碰撞，水面開始翻滾，水滴被煙氣流夾帶上升；1.8 s 后，水滴、水霧和水蒸氣跟隨著煙氣彌漫在整個空間中，很好地實現了煙氣與水相的混合。

（2）煙氣沖擊旋水子氣液兩相傳熱溫度的分布

在工作條件和其他結構參數不變的前提下，模擬分析煙氣沖擊旋水子上池水時，溫度分布隨時間的變化如圖3 所示。

圖3 溫度分布時歷圖Fig.3 Time history of temperature distribution

從圖3 中可以看出，0.2 s 時，高速煙氣已經開始切向沖擊到水面了，煙氣的熱量向四周和水池傳遞，溫度也隨之降低；0.6 s 時，煙氣繼續沖擊旋水子水面，水面在煙氣的高速沖擊形成了一個“坑”，溫度繼續降低并向上傳遞，此時出口處平均煙溫達到464 K；從1.0 s 起，水面在不斷沖擊下開始劇烈運動，水滴、水霧逐漸被濺起并跟著煙氣不斷上升，煙氣也在上升的過程中溫度開始下降，出口處煙氣的平均溫度也隨著下降；在1.8 s 以后,裝置的傳熱達到穩態，此時煙氣出口處平均溫度基本穩定。

2.2.2 旋水子液面高度對兩相流的影響

新型LNG加熱氣化裝置之所以采用旋水子，是為了讓煙氣沿旋水子曲面改變流動方向，從垂直沖擊水面變成切向沖擊水面，從而能夠卷起水滴，形成氣液兩相流動。在氣化裝置其它結構參數一定的前提下，要達到好的混合效果，液面高度和噴嘴高度是影響氣化效果的關鍵參數。因此，在氣化裝置的其他結構參數不變的情況下，結合工程實踐，分別選取20，40，60，80，100 mm幾種高度參數來分析比較水相高度變化對煙氣沖擊旋水子的兩相流傳熱效果和水相流動的影響。

（1）液面高度為20 mm

當液面高度為20 mm，即液面剛好浸沒旋水子翻邊的上邊緣，煙氣沖擊旋水子水面時，水的體積分布如圖4 所示。

圖4 液面高度20 mm 時水的體積分布時歷圖Fig.4 Time history diagram of water volume distribution at 20 mm liquid level

液面高度為20 mm 時，煙氣沖擊旋水子水面的氣液兩相傳熱溫度分布狀況如圖5 所示。

圖5 液面高度20 mm 時溫度分布時歷圖Fig.5 Time history of temperature distribution at 20 mm liquid level

用同樣的方法分別做出40，60，80，100 mm 煙氣沖擊旋水子時,水的體積分布和溫度分布的時歷圖，并作分析如表2 所示。

表2 不同液面高度時旋水子流動傳熱情況Tab.2 Flow and heat transfer of hydrocyclones at different liquid level

由表2 可知，當液面高度為20，40 mm 時，由于旋水子上水量過少，出現水全被吹干、旋水子裸露在空氣中的現象；但當液面高度為80，100 mm 時，由于液面過高，高速煙氣沖擊旋水子時無法按照旋水子導向曲面流動，導致對水相產生的影響不大，無法保證煙氣中含濕量；當液面高度為60 mm 時，煙氣沖擊水面0.8 s，水滴開始生成，此時煙氣出口平均溫度達到最高。在煙氣不斷沖擊水面的情況下，大量的水滴、水霧和蒸汽不斷產生，保證了煙氣的含濕量；同時，煙氣出口平均溫度均高于其他計算工況下的出口溫度，實現了煙氣沖擊旋水子時既能在旋水子曲面的引導下卷吸水滴加濕煙氣，又能降低煙氣溫度的目的。因此，比較上述計算結果可知，60 mm的液面高度是達到最優傳熱效果的最適高度。

3 煙氣沖擊旋水子型LNG 加熱氣化裝置的可行性驗證

煙氣沖擊旋水子型LNG 加熱氣化裝置的實驗系統主要由氣化裝置、燃氣供給、煙氣排放、煙氣循環和測試信號采集與處理系統等組成。在LNG 加熱氣化實驗裝置的實驗研究中，在工作條件和其他結構參數不變的前提下，旋水子工作面上水相的高度是影響換熱的主要因素之一。在對裝置進行數值模擬仿真后，得到液面高度為60 mm 時傳熱效果最佳，并獲取該條件下出口處的平均溫度。為驗證裝置雙相流傳熱數值模擬的正確性，通過實驗法在相同參數下對裝置進行開機實驗，觀察裝置內部的水相流動。圖6 為裝置內部水相流動圖，并通過溫度傳感器記錄出口處的溫度；圖7 是溫度模擬值和實驗值的比較。

圖6 水滴的流動狀態圖Fig.6 Flow state diagram of water droplets

圖7 溫度模擬值和實驗值的比較Fig.7 Comparison of simulated and experimental temperature values

由圖6 水滴的流動狀態圖可以發現，在液面高度為60 mm 時，旋水子只露出尖頂和部分曲面，旋水子底邊被水覆蓋并不斷翻滾，裝置內水滴飛濺，且呈細小而均勻分布，卷吸效果較好。在1.8 s 以后裝置的傳熱達到穩態，此時兩者之間的差值在3.23%，誤差在允許范圍之內。數值模擬與實驗得到的結果基本吻合，說明了基于氣液兩相流動傳熱模型在煙氣沖擊旋水子型LNG 加熱氣化裝置中的數值模擬是合理可行的。

4 結語

本文對兩相流傳熱模型進行了研究，通過數值模擬計算得到了兩相流的溫度分布和液相的體積分布；通過對旋水子上不同水相的高度對兩相流傳熱的影響，得到了最適高度60 mm 的參數；通過設計煙氣沖擊旋水子型LNG 加熱氣化裝置實驗系統，驗證了數值模擬的正確性和加熱氣化裝置設計的可行性，為后續LNG 加熱氣化裝置的研究提供了理論依據和工程參考。