-60℃低溫冷庫LNG冷能回收方案及換熱器優化設計

李 婷，鄒同華，李賀強，李泓璇

（天津商業大學天津市制冷技術重點實驗室，天津300134）

1 研究概述

本文根據用冷端（低溫冷庫）所需的溫度和條件，提出一種LNG冷能利用的方案，同時基于管殼式換熱器設計一種模塊化的LNG冷能換熱器，并對所設計冷能換熱器建立換熱的數學模型，進行傳熱數值模擬計算。

2 LNG冷能回收方案

2.1 LNG熱物性及參數

通常情況下，LNG的基本構成如表1所示[1]。

表1 LNG的基本組成及占比

雖然LNG的主要成分是甲烷，但是考慮到用甲烷代替天然氣進行模擬仿真帶來的不準確性，本研究還是采用LNG的恒物性參數進行后面的模擬計算。本文所使用的微凍液是一種微黃、無毒、無味、不電解、不燃燒、低腐蝕性的液體，凝固點為-79.6℃，該溫度滿足LNG冷能回收系統所要求的溫度。微凍液及LNG[2]恒物性參數如表2所示。

表2 微凍液及LNG[2]的物性

2.2 冷能回收原理圖

系統選用單級換熱，LNG冷能回收用作-60℃冷庫為目的，其回收利用的系統圖如圖1所示。

圖1 LNG冷能用于低溫冷庫的原理圖

A部分是LNG冷能回收用于冷庫的獨立系統，B部分是電壓縮制冷系統，起不間斷制冷作用。LNG進換熱器前，經氣化器I預熱，防止凍堵。經冷能回收后的氣液混合狀態的天然氣需要經過氣化器Ⅱ氣化成常溫狀態下的天然氣，最后通過天然氣分配器送入到用戶端使用。從冷庫出來的溫度較高的微凍液經過LNG冷能換熱器放出熱量從而降低到冷庫所需的溫度，最后經過溶液泵循環實現冷庫制冷的目的。

3 LNG冷能換熱器的設計

本設計以20 in（1 in≈2.45 cm）的IC型通用集裝箱為模板，結合管殼式換熱器設計了一種模塊化LNG冷能換熱器，大致如圖2所示。

圖2 模塊化LNG冷能換熱器示意圖

考慮到集裝箱尺寸，換熱器尺寸需滿足：總長L≤5 800 mm，總高H≤2 300 mm，總寬W（總直徑）≤2200 mm，其中換熱器殼體內徑D應控制在2 000 mm以內，在此基礎上選擇換熱管尺寸和管間距進而布置換熱管數量，具體尺寸標注如圖3所示。

圖3 換熱器內部主體尺寸標注示意圖

本文采用傳統單程設計，換熱器管長L′選擇4 000 mm。換熱管采取六角形布置，在換熱管間設置折流板，起到強制對流效果，也起到了支撐換熱管的目的[3]。

4 換熱器模型數值分析

4.1 LNG換熱器簡化模型

以管徑為Φ18×1.5mm，管間距m=20mm，管長L′=1 000 mm，共計61根換熱管組成的換熱管束，加封頭、外部殼體和隔板的小型換熱器進行模擬計算。其他尺寸為：總長L=1 200 mm，殼體內徑D=200 mm，封頭長F=100 mm，隔板長C=200 mm，殼側進出口管徑X=46 mm，管側進出口管徑Y=40 mm。簡化的小型LNG換熱器物理模型如圖4所示。

圖4 簡化的小型LNG換熱器物理模型

假設條件為：流體是不可壓縮、定常流動，換熱物質均為恒物性，不同換熱管之間傳熱性能一致且不會相互干擾，換熱管內傳熱過程為充分發展的穩態強制換熱，忽略熱損失和浮升力。

4.2 計算方法與邊界條件

計算采用Standard的k-ε湍流模型。模擬采用恒物性計算，換熱器為不銹鋼，逆流換熱；LNG入口溫度為173 K，速度0.5 m/s，微凍液入口速度1 m/s，溫度為213 K，出口均為壓力出口；外壁面絕熱，求解方法選擇耦合求解器[4]。

4.3 計算結果分析

A和E切面分別位于換熱器微凍液出口和入口處，B、C、D截面均分A、E段。小型LNG換熱器不同切面的流速與溫度圖像如圖5所示。由圖5可以看出，在靠近LNG入口處的換熱管溫度較低，從切面A到切面E，換熱管束溫度逐漸增加，靠近微凍液入口處的溫度達到最大，約為212 K，接近微凍液入口溫度。管內LNG沿管長的減速升溫；管外微凍液進出口處速度較大，在管束內流體沿管長減速降溫，微凍液在E切面右上部管束速度快于其他管束中，結合圖5（b）中E切面，此切面右上部換熱強度較大，此區域沿管道半徑方向溫度梯度較為平緩；從圖5中也能看出，管束中部分微凍液流體存在未參與換熱的情況，不同換熱管內LNG流體和管束之間的微凍液流體都存在流體分配不均的現象，從而使得每根換熱管內外冷熱流體速度和溫度分布各不相同，管間距和流速的大小是主要的影響因素。

圖5 小型LNG換熱器不同切面的流速與溫度圖像

LNG換熱器縱截面速度和溫度示意圖如圖6所示，從圖6（a）中可以看出，兩種流體的進出口速度均快于換熱管段，殼程微凍液在折流板的折流區域速度高于其他區域，因為流體發生折流加強了湍流強度[5]。由圖6（b）可知，LNG在入口封頭內溫度較低，隨后逐漸升溫，進入出口封頭后完成熱交換，溫度基本不變；殼側微凍液從入口到出口不斷降溫。LNG的出口平均溫度為196.7 K，溫度升高了23.7 K；微凍液的出口平均溫度為209.6 K，溫度降低了3.4 K。

圖6 LNG換熱器縱截面速度和溫度示意圖

5 結語

本文設計開發了一種利用微凍液換熱的冷能回收方案，并設計了一款模塊化的LNG冷能回收換熱器，通過對模型的數值計算，換熱器內的流動和換熱較為均勻，管間距和流體流速是影響換熱效果的重要因素，換熱器的總體換熱效率高，方便運輸和安裝拆卸，具有良好的應用前景。