LNG空溫氣化器的傳熱分析及設計優化

史建濤 楊學鋒 宋亞強

（江蘇省特種設備安全監督檢驗研究院蘇州分院 蘇州 215031）

液化天然氣（簡稱LNG）的主要成分是甲烷,另外還可能含有乙烷、丙烷、正丁烷、異丁烷等烴類物質。LNG液體的溫度極低,1單位體積的LNG液體可以轉變為約600單位體積的氣體[1],且燃燒后主要產物為二氧化碳和水,是極其重要的清潔能源之一?？諟厥綒饣魇菍⒁簯B天然氣轉換為氣態天然氣的關鍵設備之一,由于其結構簡單緊湊,安裝快捷,維護方便,因此被越來越多的LNG接收站和終端客戶所使用,故針對空溫式氣化器的結構設計和傳熱分析成為研究的熱點問題。盡管如此,空溫式氣化器的換熱效率由于受環境溫度影響較大,而且還受到介質熱流密度、干度、流量、入口壓力、管徑、管長以及壁面粗糙度等諸多因素的影響[2],因此為了提高單位時間內的氣化量,深入挖掘設備潛能,針對空溫式氣化器的深入研究就顯得極為關鍵。

1 空溫式氣化器的結構

如圖1所示,典型的空溫式氣化器結構由進出口接管、匯集管、星型換熱管以及支撐框架組成,其設計參數為：設計壓力為1.6 MPa,設計溫度為-196 ℃,進口介質為LNG,進口處工作介質溫度為-162 ℃,出口介質為NG,出口處介質溫度一般不低于環境溫度10 ℃。星型換熱管為關鍵的換熱部件,由內管和翅片組成。熱交換的主要機理有：LNG介質與內管進行對流換熱,沿管壁厚度方向的傳導換熱,鋁制翅片伸展方向由溫差引起的傳導換熱,以及鋁制星型管外表面與環境中的空氣之間的對流換熱。在深入分析星型換熱管（如圖2所示）的傳熱情況時,有如下假設條件：1）鋁制翅片在伸展方向和長度方向性能均一；2）星型管外表面及翅片表面與環境不發生熱輻射；3）翅片伸展方向端部溫度與環境溫度完全一致；4）在星型管某一截面進行換熱分析時,流過該截面的介質為單一流體；5）汽化過程壓力不降低,星型管外壁無結霜；6）假設鋁制金屬與介質的表面熱交換系數在工況范圍內保持恒定。

圖1 氣化器結構簡圖

圖2 星型管截面圖

2 影響換熱效率的因素分析

根據對流傳熱的基本計算式牛頓冷卻公式,流體被加熱時[3],熱流密度計算滿足式（1）：

式中：

tw——鋁管壁面溫度；

tf——流體介質溫度；

q——熱流密度（即單位時間內通過單位面積的熱流量）,W/m2；

h——表面傳熱系數,W/(m2.K)。

由于假設鋁制星型管外壁面溫度以及天然氣介質流體溫度在特定截面處數值已知, 故可認為邊界溫度恒定,采用極坐標系,以星型管圓心為極點,管壁厚度方向為極軸,對邊界處溫度為常數的表達式連續兩次求導,得到導熱微分方程與相應的邊界條件,見式（2）：

式中：

t——溫度；

r——極軸長度,即星型管壁厚方向長度。

代入邊界條件r=ro,t=to；r=rI,t=tI,得出通解,見式（3）～式（5）：

式中：

c1,c2——常數。

最終的溫度分布見式（6）：

代入傅里葉定律,見式（7）：

式中：

λ——導熱系數,W/(m.K)；

tI,to——星型管內、外壁溫；

rI,ro——星型管內、外壁處半徑。

由此可知,在星型管截面不同半徑處的熱流密度與半徑成反比,但是通過整個截面的熱流量φ,見式（8）：

式中：

l——星型管長度。

半徑r處的熱流量與星型管長度及壁厚都相關。因此要增加傳熱量,可通過增加介質與環境溫差、增加金屬導熱體表面傳熱系數、增加換熱面積3種方法來實現。

2.1 星型管翅片數量

增加換熱面積最常用的方法即增加星型管上翅片數量。針對鋁制星型管,材質為6063,圓管尺寸為32 mm×3 mm,環境溫度為22 ℃,入口處LNG工作溫度為-162 ℃,并且依據標準GB/T 38530—2020《城鎮液化天然氣（LNG）氣化供氣裝置》中A.3.4.1中的規定出口處工作溫度不得低于12 ℃[4],采用WORKBENCH有限元軟件模擬分析不同數量翅片時,由于表面傳熱系數數值上等于單位溫差下的傳熱通量,而且影響傳熱系數的因素眾多,包括換熱器的類型、流體的種類和性質,以及操作條件等,因此工程上通常采用試驗法或者經驗公式估算表面傳熱系數。針對空溫式氣化器的結構特點和介質情況,結合使用環境溫度情況,參考氣體介質表面傳熱系數值17～280 W/(mm2.℃)[5],并且根據軟件內置材料特性數據[6],設置鋁制材料熱交換系數為12.5 W/(mm2.℃),網格劃分在翅片根部自動加密,單元類型選擇六面體主體,并且將介質溫度和環境溫度值作為邊界條件賦值,最終熱流密度分布情況見圖3～圖8。

圖3 四翅片星型管入口處熱流密度分布圖

圖4 四翅片星型管出口處熱流密度分布圖

圖5 八翅片星型管入口處熱流密度分布圖

圖6 八翅片星型管出口處熱流密度分布圖

圖7 十二翅片星型管入口處熱流密度分布圖

圖8 十二翅片星型管出口處熱流密度分布圖

由圖3～圖8中模擬分析結果可知,在星型管入口處,當翅片數量從四片增加至八片時,熱流密度最大值從4.3915 W/mm2增加至17.546 W/mm2,但是當翅片數量進一步增加至十二片時,熱流密度最大值增加至18.641 W/mm2,數值增量不明顯。但是熱流密度最小值則呈現完全不同的趨勢,即從四翅片時2.667 2e-8W/mm2降低至八翅片時5.557 2e-9W/mm2,并且十二翅片時進一步降低至4.112 6e-9W/mm2。由此可知,翅片數量增加可以顯著增大介質與星型翅片管以及外部環境的單位面積換熱量,但是當翅片數量進一步增加時,熱流密度最大值變化不明顯,從節省材料成本的角度,八翅片星型管是較為經濟合理的選擇。并且從熱流密度分布圖可知,熱交換發生的部位集中在星型管外壁及翅片翅根部位,盡管隨著翅片數量的增加,熱流密度最小值逐漸降低,意味著換熱更充分,但是翅片延伸段對于穩態熱傳導的貢獻并不明顯。不僅如此,在星型管出口處也有幾乎相同的規律。

2.2 星型管壁厚

由式（2）～式（8）可知,當星型管壁厚變化時,即外徑與內徑的比值將極大影響星型管截面熱流量,故針對八翅片星型管,選擇內徑為26 mm,入口LNG工作溫度為-162 ℃時,當外徑分別為30 mm、32 mm、34 mm以及36 mm時,模擬分析結果顯示熱流密度最大值見表1。

表1 不同壁厚時星型管截面熱流密度最大值

由表1中內容可知,隨著星型管壁厚的增加,盡管換熱面積有所增大,但是通過其截面的熱流密度最大值是逐漸減小的。由于星型管需要承受LNG介質的壓力,因此在保證強度以及加工工藝要求的前提下,較薄的壁厚利于傳熱,并可以進一步增加單位時間內的氣化量。

2.3 環境溫度

由于LNG介質工作溫度相對固定,因此環境溫度的數值將極大影響星型管截面的熱流量。結合實際使用場地的地理環境,針對八翅片,星型管壁厚為2 mm時,當環境溫度為50 ℃時,星型管截面溫度分布情況見圖9、圖10。

圖9 八翅片星型管入口處溫度分布圖

圖10 八翅片星型管出口處溫度分布圖

由圖9和圖10可知,無論是星型管入口處還是出口處,溫度梯度的分布情況都類似,溫度變化發生在星型管厚度方向,而翅片管上溫度則無明顯變化。在星型管厚度方向,溫度梯度都呈均勻分布態勢,但是由于翅片延伸方向的阻擋,在翅片根部位置的熱量交換很明顯弱于星型管其他部位,結合前述熱流密度分布圖可知,熱流密度最大值出現在相鄰翅片的中間部位,由星型管外壁指向內壁。

利用氣化器入口及出口處的溫度變送器所記錄的天然氣介質溫度,結合環境溫度記錄情況,繪制星型管入口及出口處熱流密度最大值與環境溫度的變化關系曲線,如圖11所示。

圖11 不同環境溫度下八翅片星型管熱流密度

由圖11可知,當環境溫度變化時,周圍環境與星型翅片管的熱交換量大小在星型管入口處與出口處呈現完全不同的趨勢。當環境溫度由10 ℃逐步升高至50 ℃時,入口處的熱流密度最大值幾乎呈線性增長,但是出口處的熱流密度最大值則呈下降趨勢。這是由于星型管入口處LNG介質的溫度相對固定,為其沸點-162 ℃,隨著環境溫度的升高,星型管內外溫差數值逐漸增大,因此換熱量數值也隨之增大,符合式（8）的表述。而星型管出口的介質為氣態,并且隨環境溫度的升高,氣態天然氣的溫度也隨之升高,而且環境溫度越高,氣態天然氣與環境溫度的差距越小,這樣就進一步減少了星型管內外介質的熱量交換,導致熱流密度最大值不僅在數值上呈現逐漸下降趨勢,而且在變化趨勢上變緩。

空溫式氣化器受環境溫度影響極大,實際的工程實踐中,除了前述的對流熱交換,當環境溫度升高時,太陽輻射熱傳遞對于氣化器的換熱模式也有較大的影響。當環境溫度逐步升高時,太陽直接輻射、散射輻射以及地表反射熱輻射都會極大增加[7],導致室外布置的氣化器與環境熱量交換大幅度提高,因而會大大提高換熱效率。

3 氣化器結構設計優化建議

3.1 入口匯集管的布置

由前述分析可知,星型管與LNG介質的最大換熱量發生在入口處,即LNG介質與環境溫差最大的部位,并且在自然對流條件下,伴隨低溫介質入口流量增大,星型管內介質溫度變化速率將顯著減小,沿管長各處翅片的表面溫度都將隨之降低[8]。因此,針對性增加換熱件數量和換熱面積,可有效地改善換熱狀況。工程應用中可考慮增大入口匯集管尺寸,在滿足強度以及開孔補強的前提下,多開孔,采用跨接布局并行分布星型管,可增加入口處的液相天然氣分流,并且LNG入口流速越大,則傳熱系數越大,但是增大LNG入口流速不能無限提高翅片管傳熱系數[9]。不僅如此,通過將氣化器入口盡可能布置在向陽面,還可以充分利用太陽輻射,使得低溫段的星型管能更多地吸收輻射熱。

如圖12所示,在入口匯集管截面0°、90°、180°以及270°方向分別開孔,并且根據氣化量需求設置開孔數量,然后按照跨接布局模式（如圖13所示）連接入口匯集管與星型管。連接管長度不宜過長,既要考慮溫度變化引起的變形,又要兼顧冷量損失,避免連接管外表面大范圍結霜。

圖12 入口匯集管

傳熱分析中將熱傳遞過程中的阻力稱為熱阻,其數值等于熱流量與熱傳遞溫差之比?？缃硬季值娜肟趨R集管最大程度上降低了串聯熱阻的疊加,使得在多個通道都可獲得最大溫差的冷量介質,不僅可以充分發揮星型管的熱交換功能,也大大節約了熱損耗和換熱金屬材料,最終提高了氣化器的換熱效率。

3.2 星型管結構選擇

星型翅片管一般是由熱擠壓工藝成型,研究表明開放式翅片管的單位質量散熱量要好于平斷面封閉式和弧形封閉式翅片[10]。依據前述分析可知,當翅片數量超過八片時,熱流密度增加并不明顯,而且翅片數量進一步增加,將明顯減緩翅片之間空氣流動,又增加了結霜的可能性[11]。不僅如此,在滿足強度和工藝要求前提下,薄壁的鋁制星型管加工方便,重量較輕,結構相對緊湊,方便運輸和安裝,使用過程中又易于維護,通過增加翅片數量,可顯著增加熱流密度,因此,很多設計者把鋁制多翅片星型管作為氣化器的首選。從原材料消耗的角度以及熱阻分析,選擇翅片數量為八片的薄壁鋁制星型管為最佳配置。

3.3 強制換熱輔助

星型管外表面是無相變的自然對流換熱模式,即星型管表面與環境空氣的對流換熱。星型管內部則是有相變過程的沸騰換熱,即液態天然氣在吸熱后發生沸騰,進而相變為氣態天然氣,并且星型管內相變能量完全來自星型管的外部熱量。因此通過外加強制輔助換熱設備,可有效增強管內介質的熱輸入狀況。常用的強制輔助換熱設備有外加風扇或噴淋設備。風扇應沿星型管長度方向裝設,利于空氣自下而上的流動。當裝設排風扇時,風扇應安裝在氣化器頂部,根據現場環境以及使用要求外加電源或者使用無動力排風扇。當裝設送風扇時,由于氣化器下部可能存在結霜,如果風扇安裝在氣化器底部則霜塊掉落可能影響風扇正常工作,并且由于氣化器的高度一般較高,想要加速下部空氣對流并實現吹落霜塊的目的,只能選擇外加大功率電源風扇,因此送風扇必須安裝在氣化器頂部。工程實踐中還可選擇在氣化器頂部及側面裝設噴淋裝置,即利用一定溫度的水或蒸汽加熱星型管外壁,以此增大星型管內外壁的溫差,并能夠實現部分熔化表面結霜的功能,最終達到用外加強制輔助熱源提高換熱效率的目的。

4 結論

1）增加星型管翅片數量可以增加換熱面積,但是翅片數量最合理選擇是8片。在保證強度和加工工藝要求的前提下,較薄壁厚的星型管更利于熱交換。

2）伴隨環境溫度的升高,不僅星型翅片管與環境的換熱量更高,而且輻射熱的大幅增加更利于提高空溫式氣化器的熱交換。

3）通過增大空溫式氣化器入口處匯集管尺寸,并采用跨接布局并行分布星型管,可降低熱阻,有效提高氣化器的換熱效率。

4）可通過外加輔助換熱設備,如風扇或噴淋裝置,用以改善空溫式氣化器表面的對流熱交換。